Изследване на молекулярна биология и биологична химия. Молекулярен биолог. Описание на професията. Ами биологията

Молекулярен биолог е изследовател в областта на медицината, чиято мисия е не по-малко да спасява човечеството от опасни болести. Сред такива заболявания, например, онкологията, която днес се е превърнала в една от основните причини за смърт в света, е само малко по-ниска от лидера - сърдечно-съдовите заболявания. Новите методи за ранна диагностика на онкологията, профилактиката и лечението на рака са приоритетна задача на съвременната медицина. Молекулярните биолози в областта на онкологията разработват антитела и рекомбинантни (генно инженерни) протеини за ранна диагностика или целенасочено доставяне на лекарства в тялото. Специалистите в тази област използват най-новите постижения на науката и технологиите за създаване на нови организми и органични вещества с оглед по-нататъшното им използване в изследователската и клиничната дейност. Сред методите, използвани от молекулярните биолози, са клониране, трансфекция, инфекция, полимеразна верижна реакция, генно секвениране и други. Една от компаниите, които се интересуват от молекулярни биолози в Русия, е PrimeBioMed LLC. Организацията се занимава с производство на антитела-реагенти за диагностика на рак. Такива антитела се използват главно за определяне на вида на тумора, неговия произход и злокачественост, тоест способността за метастазиране (разпространение в други части на тялото). Антителата се прилагат върху тънки участъци от изследваната тъкан, след което се свързват в клетките с определени протеини - маркери, които присъстват в туморните клетки, но липсват в здравите и обратно. В зависимост от резултатите от изследването се предписва по-нататъшно лечение. Клиентите на PrimeBioMed включват не само медицински, но и научни институции, тъй като антителата могат да се използват и за решаване на изследователски проблеми. В такива случаи могат да бъдат произведени уникални антитела, способни да се свързват с изследвания протеин за специфична задача по специална поръчка. Друго обещаващо направление на изследванията на компанията е насочената (насочена) доставка на лекарства в тялото. В този случай антителата се използват като транспорт: с тяхна помощ лекарствата се доставят директно до засегнатите органи. Така лечението става по-ефективно и има по-малко негативни последици за организма, отколкото например химиотерапията, която засяга не само раковите клетки, но и други клетки. Очаква се професията на молекулярния биолог да става все по-търсена през следващите десетилетия: с увеличаване на средната продължителност на живота на човек ще се увеличи броят на онкологичните заболявания. Ранното откриване на тумори и иновативните методи за лечение с помощта на вещества, получени от молекулярни биолози, ще спасят животи и ще подобрят качеството му огромен бройхората.

Основно професионално образование

Процентите отразяват разпределението на специалистите с определено ниво на образование на пазара на труда. В зелено са отбелязани ключовите специалности за овладяване на професията.

Способности и умения

  • Умение за работа с реактиви, проби, трябва да може да работи с малки предмети
  • Способност за работа с големи обеми информация
  • Умение за работа с ръце

Интереси и предпочитания

  • Желание да научите нещо ново
  • Възможност за работа в режим на многозадачност (необходимо е да се следи хода на няколко реакции и процеси едновременно)
  • точност
  • Отговорност (не можете да оставите работата "за утре", тъй като пробите могат да бъдат повредени)
  • скрупулност
  • трудолюбие
  • Внимателност (необходимо е да се наблюдават микропроцесите)

Професия в лица

Мария Шитова

Дария Самойлова

Алексей Грачев

Молекулярна биологияв областта на онкологията - обещаваща професионална област, тъй като борбата с рака е една от приоритетните задачи на световната медицина.

Молекулярните биолози са търсени в много области поради активното развитие на науката, биотехнологичните и иновативни предприятия. Към днешна дата има малък недостиг на специалисти, особено на такива с опит по специалността. Досега доста голям брой висшисти продължават да заминават да работят в чужбина. Започват да се появяват възможности ефективна работав областта на биотехнологиите в Русия, но е твърде рано да се говори за масов характер.

Работата на молекулярния биолог включва активното участие на специалист в научна дейност, което се превръща в механизъм за кариерно развитие. Развитие в професията е възможно чрез участие в научни проекти и конференции, може би чрез развитие на сродни области на знанието. Също така в бъдеще е възможно академично развитие от младши изследовател през старши изследовател до водещ изследовател, професор и / или ръководител на отдел / лаборатория.

31.2

За приятели!

справка

Молекулярната биология израства от биохимията през април 1953 г. Появата му се свързва с имената на Джеймс Уотсън и Франсис Крик, открили структурата на ДНК молекулата. Откритието стана възможно чрез изследване на генетиката, бактериите и биохимията на вирусите. Професията на молекулярния биолог не е широко разпространена, но днес нейната роля в модерно обществомного голям. Голям брой заболявания, включително тези, които се проявяват на генетично ниво, изискват от учените да намерят решения на този проблем.

Описание на дейността

Вирусите и бактериите постоянно мутират, което означава, че лекарствата вече не помагат на човек и болестите стават нелечими. Задачата на молекулярната биология е да изпревари този процес и да разработи нов лек за болестите. Учените работят по добре установена схема: блокиране на причината за заболяването, премахване на механизмите на наследствеността и по този начин облекчаване на състоянието на пациента. Има редица центрове, клиники и болници по света, където молекулярни биолози разработват нови лечения, за да помогнат на пациентите.

Служебни задължения

Отговорностите на молекулярния биолог включват изследване на процесите вътре в клетката (например промени в ДНК по време на развитието на тумори). Също така експертите изучават характеристиките на ДНК, тяхното въздействие върху целия организъм и отделна клетка. Такива изследвания се провеждат, например, въз основа на PCR (полимеразна верижна реакция), която ви позволява да анализирате тялото за инфекции, наследствени заболявания и да определите биологичната връзка.

Характеристики на кариерното израстване

Професията на молекулярния биолог е доста обещаваща в своята област и вече днес претендира да бъде първа в класацията на медицинските професии на бъдещето. Между другото, един молекулярен биолог не трябва да стои постоянно в тази област. Ако има желание за промяна на професията, той може да се преквалифицира като мениджър продажби на лабораторно оборудване, да започне да разработва инструменти за различни изследвания или да отвори собствен бизнес.

Напредъкът в изследването на нуклеиновите киселини и биосинтезата на протеини доведе до разработването на редица методи с голямо практическо значение в медицината, селското стопанство и редица други индустрии.

След изучаването на генетичния код и основните принципи на съхранение и прилагане на наследствена информация, развитието на молекулярната биология спря, тъй като нямаше методи, които да позволяват манипулиране на гени, изолиране и промяна. Появата на тези методи се случи през 1970-1980-те години. Това даде мощен тласък за развитието на тази научна област, която е в разцвет и до днес. На първо място, тези методи се отнасят до получаване на отделни гени и тяхното въвеждане в клетки на други организми (молекулярно клониране и трансгенеза, PCR), както и методи за определяне на нуклеотидната последователност в гените (ДНК и РНК секвениране). Тези методи ще бъдат разгледани по-подробно по-долу. Ще започнем с най-простия основен метод, електрофорезата, и след това ще преминем към по-сложни методи.

ДНК ЕЛЕКТРОФОРЕЗА

Това е основният метод за работа с ДНК, който се използва заедно с почти всички други методи за изолиране на желаните молекули и анализ на резултатите. Гел електрофорезата се използва за разделяне на ДНК фрагменти по дължина. ДНК е киселина, нейните молекули съдържат остатъци от фосфорна киселина, които се отделят от протон и придобиват отрицателен заряд (фиг. 1).

Следователно в електрическо поле молекулите на ДНК се движат към анода - положително зареден електрод. Това се случва в електролитен разтвор, съдържащ йони носители на заряд, поради което този разтвор провежда ток. За отделяне на фрагментите се използва плътен гел от полимери (агароза или полиакриламид). ДНК молекулите се „оплитат“ в него толкова повече, колкото са по-дълги и затова най-дългите молекули се движат най-бавно, а най-късите – най-бързо (фиг. 2). Преди или след електрофорезата, гелът се третира с багрила, които се свързват с ДНК и флуоресцират в ултравиолетова светлина, и се получава модел на ивици в гела (виж фиг. 3). За да се определят дължините на ДНК фрагменти в проба, те се сравняват с маркер, т.е. набор от фрагменти със стандартни дължини, депозирани паралелно върху един и същ гел (фиг. 4).

Най-важните инструменти за работа с ДНК са ензимите, които извършват ДНК трансформации в живи клетки: ДНК полимерази, ДНК лигази и рестрикционни ендонуклеази или рестрикционни ензими. ДНК полимеразаИзвършва се синтез на ДНК матрица, което позволява размножаване на ДНК в епруветка. ДНК лигазизашиват ДНК молекулите заедно или лекуват празнините в тях. Рестрикционни ендонуклеази, или рестриктази, изрязвайте ДНК молекулите според строго определени последователности, което ви позволява да изрязвате отделни фрагменти от общата маса на ДНК. Тези фрагменти могат в някои случаи да съдържат отделни гени.

рестриктази

Последователностите, разпознати от рестрикционните ензими, са симетрични и могат да се появят прекъсвания в средата на такава последователност или с изместване (на едно и също място в двете вериги на ДНК). Схема на действие различни видоверестриктаза е показано на фиг. 1. В първия случай се получават т. нар. "тъпи" краища, а във втория - "лепкави" краища. В случай на "лепкави" краища на дъното, веригата е по-къса от другата, образува се едноверижен участък със симетрична последователност, която е еднаква в двата образувани края.

Крайните последователности ще бъдат същите, когато която и да е ДНК се разцепи с даден рестрикционен ензим и могат да бъдат съединени отново, защото имат комплементарни последователности. Те могат да бъдат лигирани с ДНК лигаза, за да образуват единична молекула. Така е възможно да се комбинират фрагменти от две различни ДНК и да се получи т.нар рекомбинантна ДНК. Този подход се използва в метода на молекулярното клониране, което прави възможно получаването на отделни гени и въвеждането им в клетки, които могат да образуват протеина, кодиран в гена.

молекулярно клониране

Молекулярното клониране използва две ДНК молекули - вмъкване, съдържащо интересния ген, и вектор- ДНК действа като носител. Вложката се "зашива" във вектора с помощта на ензими, като се получава нова, рекомбинантна ДНК молекула, след което тази молекула се въвежда в клетките гостоприемници и тези клетки образуват колонии върху хранителна среда. Колонията е потомство на една клетка, т.е. клонинг, всички клетки на колонията са генетично идентични и съдържат една и съща рекомбинантна ДНК. Оттук и терминът "молекулярно клониране", тоест получаване на клонинг на клетки, съдържащ ДНК фрагмент, който ни интересува. След като се получат колониите, съдържащи вмъкването, което ни интересува, е възможно да се характеризира това вмъкване чрез различни методи, например да се определи точната му последователност. Клетките също могат да произвеждат протеина, кодиран от вмъкването, ако съдържа функционален ген.

Когато рекомбинантна молекула се въведе в клетките, настъпва генетичната трансформация на тези клетки. Трансформация- процес на усвояване от клетка на организъм на свободна ДНК молекула от околната среда и интегрирането й в генома, което води до появата в такава клетка на нови наследствени черти за нея, характерни за организма донор на ДНК. . Например, ако вмъкнатата молекула съдържа ген за резистентност към антибиотика ампицилин, тогава трансформираните бактерии ще растат в негово присъствие. Преди трансформацията ампицилинът причинява смъртта им, т.е. в трансформираните клетки се появява нов знак.

ВЕКТОРИ

Векторът трябва да има няколко свойства:

    Първо, това е сравнително малка ДНК молекула, която лесно може да се манипулира.

    На второ място, за да се запази и възпроизведе ДНК в клетката, тя трябва да съдържа определена последователност, която осигурява нейната репликация (началото на репликацията или началото на репликацията).

    Трето, трябва да съдържа маркерен ген, което осигурява избора само на онези клетки, в които е влязъл векторът. Обикновено това са гени за резистентност към антибиотици – тогава при наличието на антибиотик всички клетки, които не съдържат вектора, умират.

Генното клониране най-често се извършва в бактериални клетки, тъй като те са лесни за култивиране и се размножават бързо. В една бактериална клетка обикновено има една голяма кръгова ДНК молекула, дълга няколко милиона базови двойки, съдържаща всички гени, необходими на бактериите - бактериалната хромозома. Освен него в някои бактерии има малка (няколко хиляди базови двойки) кръгова ДНК, т.нар. плазмиди(фиг. 2). Те, подобно на основната ДНК, съдържат нуклеотидна последователност, която осигурява способността на ДНК да се репликира (ori). Плазмидите се репликират независимо от основната (хромозомна) ДНК, поради което присъстват в клетката в голям брой копия. Много от тези плазмиди носят гени за резистентност към антибиотици, което прави възможно разграничаването на клетките, носещи плазмида, от нормалните клетки. По-често се използват плазмиди, носещи два гена, придаващи резистентност към два антибиотика, като тетрациклин и амицилин. Съществуват прости методиизолиране на такава плазмидна ДНК, свободна от ДНК на основната хромозома на бактерията.

ЗНАЧЕНИЕТО НА ТРАНСГЕНЕЗАТА

Прехвърлянето на гени от един организъм в друг се нарича трансгенезаи такива модифицирани организми - трансгенен. Методът на генен трансфер в микробни клетки се използва за получаване на рекомбинантни протеинови препарати за медицината, по-специално човешки протеини, които не предизвикват имунно отхвърляне - интерферони, инсулин и други протеинови хормони, клетъчни растежни фактори, както и протеини за производството на ваксини. В повече трудни случаиКогато протеините са модифицирани правилно само в еукариотни клетки, се използват трансгенни клетъчни култури или трансгенни животни, по-специално добитък (предимно кози), които отделят необходимите протеини в млякото или протеините се изолират от тяхната кръв. Така се получават антитела, фактори на кръвосъсирването и други протеини. Чрез метода на трансгенезата се получават културни растения, които са устойчиви на хербициди и вредители и имат други полезни свойства. Използвайки трансгенни микроорганизми за пречистване на отпадъчни води и борба със замърсяването, има дори трансгенни микроби, които могат да разграждат петрола. Освен това трансгенните технологии са незаменими в научно изследване- развитието на биологията днес е немислимо без рутинното използване на методи за модификация и генен трансфер.

технология за молекулярно клониране

вложки

За да се получи отделен ген от всеки организъм, цялата хромозомна ДНК се изолира от него и се разцепва с един или два рестрикционни ензима. Ензимите са подбрани така, че да не режат интересния за нас ген, а да правят прекъсвания по краищата му, а в плазмидната ДНК да правят едно прекъсване в един от гените за резистентност, например към ампицилин.

Процесът на молекулярно клониране включва следните стъпки:

    Cut and stitch - конструиране на единична рекомбинантна молекула от инсерт и вектор.

    Трансформацията е въвеждането на рекомбинантна молекула в клетките.

    Избор - избор на клетки, които са получили вектор с вмъкване.

рязане и шиене

Плазмидната ДНК се третира със същите рестрикционни ензими и се превръща в линейна молекула, ако се избере такъв рестрикционен ензим, който въвежда 1 прекъсване в плазмида. В резултат на това в краищата на всички получени ДНК фрагменти се появяват еднакви лепкави краища. Тъй като температурата се понижава, тези краища се свързват произволно и се лигират с ДНК лигаза (виж Фиг. 3).

Получава се смес от кръгови ДНК с различен състав: някои от тях ще съдържат определена ДНК последователност от хромозомна ДНК, свързана с бактериална ДНК, други ще съдържат фрагменти от хромозомна ДНК, свързани заедно, а трети ще съдържат редуциран кръгъл плазмид или негов димер (фиг. 4).

трансформация

След това тази смес се извършва генетична трансформациябактерии, които не съдържат плазмиди. Трансформация- процес на усвояване от клетка на организъм на свободна ДНК молекула от околната среда и интегрирането й в генома, което води до появата в такава клетка на нови наследствени черти за нея, характерни за организма донор на ДНК. . Само един плазмид може да влезе и да се размножи във всяка клетка. Такива клетки се поставят върху твърда хранителна среда, съдържаща антибиотика тетрациклин. Клетките, които не са получили плазмида, няма да растат върху тази среда, а клетките, носещи плазмида, образуват колонии, всяка от които съдържа потомците само на една клетка, т.е. всички клетки в една колония носят един и същ плазмид (виж Фиг. 5).

Избор

След това задачата е да се изолират само клетките, в които е влязъл векторът с вмъкването, и да се разграничат от клетките, носещи само вектора без вмъкването или изобщо не носещи вектора. Този процес на избор на правилните клетки се нарича селекция. За това кандидатствайте селективни маркери- обикновено гени за резистентност към антибиотици във вектора, и селективна медиясъдържащи антибиотици или други селективни вещества.

В примера, който разглеждаме, клетки от колонии, отгледани в присъствието на ампицилин, се субкултивират върху две среди: първата съдържа ампицилин, а втората съдържа тетрациклин. Колониите, съдържащи само плазмида, ще растат и върху двете среди, докато колониите, съдържащи вмъкната хромозомна ДНК в плазмидите, няма да растат върху средата с тетрациклин (фиг. 5). Сред тях тези, които съдържат интересуващия ни ген, се избират по специални методи, отглеждат се в достатъчни количества и се изолира плазмидна ДНК. От него, използвайки същите рестриктази, които са били използвани за получаване на рекомбинантна ДНК, се изрязва отделният интересен ген. ДНК на този ген може да се използва за определяне на последователността на нуклеотидите, въвеждане във всеки организъм за получаване на нови свойства или синтезиране на желания протеин. Този метод за изолиране на ген се нарича молекулярно клониране.

ФЛУОРЕСЦЕНТНИ ПРОТЕИНИ

Много е удобно да се използват флуоресцентни протеини като маркерни гени в изследванията на еукариотни организми. Генът за първия флуоресцентен протеин, зелен флуоресцентен протеин (GFP)беше изолиран от медуза Aqeuorea victoria и въведен в различни моделни организми (виж Фиг. 6). През 2008 г. О. Шимомура, М. Чалфи и Р. Циен получиха Нобелова награда за откриването и приложението на този протеин.

След това са изолирани гените за други флуоресцентни протеини - червен, син, жълт. Тези гени са изкуствено модифицирани, за да произвеждат протеини с желаните свойства. Разнообразието от флуоресцентни протеини е показано на фиг. 7, която показва петриево блюдо с бактерии, съдържащи гени за различни флуоресцентни протеини.

приложение на флуоресцентни протеини

Генът на флуоресцентния протеин може да бъде слят с гена на всеки друг протеин, тогава по време на транслацията ще се образува един протеин - транслационен слят протеин, или синтез(слят протеин), който флуоресцира. По този начин е възможно да се изследва, например, локализацията (местоположението) на всякакви протеини, представляващи интерес в клетката, тяхното движение. Използвайки експресията на флуоресцентни протеини само в определени видове клетки, е възможно да се маркират клетки от тези типове в многоклетъчен организъм (виж фиг. 8 - мозък на мишка, в който отделните неврони имат различни цветове поради определена комбинация от флуоресцентен протеин гени). Флуоресцентните протеини са незаменим инструмент в съвременната молекулярна биология.

PCR

Друг метод за получаване на гени се нарича полимеразна верижна реакция (PCR). Основава се на способността на ДНК полимеразите да завършват втората верига на ДНК по протежение на комплементарната верига, както се случва в клетките по време на репликацията на ДНК.

Началото на репликацията при този метод се дава от две малки части от ДНК, наречени семена,или грундове. Тези праймери са комплементарни на краищата на интересуващия ни ген върху две вериги на ДНК. Първо, хромозомната ДНК, от която трябва да се изолира генът, се смесва със семена и се нагрява до 99 ° C. Това води до разкъсване на водородни връзки и разминаване на ДНК вериги. След това температурата се понижава до 50-70 о С (в зависимост от дължината и последователността на семената). При тези условия, праймерите са прикрепени към комплементарни региони на хромозомна ДНК, образувайки правилна двойна спирала (виж Фиг. 9). След това се добавя смес от четирите нуклеотида, необходими за синтеза на ДНК и ДНК полимераза. Ензимът удължава праймерите, като изгражда двойноверижна ДНК от мястото на закрепване на праймерите, т.е. от краищата на ген до края на едноверижна хромозомна молекула.

Ако сега сместа се нагрее отново, хромозомните и новосинтезираните вериги ще се разпръснат. След охлаждане към тях отново ще се присъединят семена, които са взети в голям излишък (виж фиг. 10).

На новосинтезираните вериги те ще се присъединят не към края, от който е започнал първият синтез, а към противоположния, тъй като ДНК веригите са антипаралелни. Следователно, във втория цикъл на синтез, само последователността, съответстваща на гена, ще бъде завършена върху такива вериги (виж Фиг. 11).

AT този методизползва се ДНК полимераза от термофилни бактерии, която е в състояние да издържи на кипене и работи при температури от 70-80 ° C, не е необходимо да се добавя всеки път, но е достатъчно да се добави в началото на експеримента. Чрез повтаряне на процедурите за нагряване и охлаждане в една и съща последователност, можем да удвоим броя на последователностите във всеки цикъл, ограничен в двата края от въведените семена (виж Фиг. 12).

След около 25 такива цикъла броят на копията на гена ще се увеличи повече от милион пъти. Такива количества могат лесно да бъдат отделени от хромозомната ДНК, въведена в епруветката и използвана за различни цели.

ДНК секвениране

Друго важно постижение е разработването на методи за определяне на последователността на нуклеотидите в ДНК - ДНК секвениране(от англ. sequence - последователност). За да направите това, е необходимо да получите чисти гени от друга ДНК, като използвате един от описаните методи. След това ДНК веригите се разделят чрез нагряване и към тях се добавя праймер, маркиран с радиоактивен фосфор или флуоресцентен етикет. Моля, обърнете внимание, че се взема едно семе, допълващо една верига. След това се добавят ДНК полимераза и смес от 4 нуклеотида. Такава смес се разделя на 4 части и към всяка се добавя един от нуклеотидите, модифициран така, че да не съдържа хидроксилна група на третия атом на дезоксирибозата. Ако такъв нуклеотид е включен в синтезираната ДНК верига, то неговото удължаване няма да може да продължи, т.к. полимеразата няма да има къде да прикрепи следващия нуклеотид. Следователно синтезата на ДНК след включването на такъв нуклеотид се прекъсва. Тези нуклеотиди, наречени дидезоксинуклеотиди, се добавят много по-малко от обикновено, така че прекъсването на веригата се случва само от време на време и във всяка верига на различни места. Резултатът е смес от вериги с различна дължина, всяка с един и същ нуклеотид в края. По този начин дължината на веригата съответства на номера на нуклеотида в изследваната последователност, например, ако имахме аденил дидезоксинуклеотид и получените вериги бяха дълги 2, 7 и 12 нуклеотида, тогава аденинът беше на втора, седма и дванадесета позиция в генът. Получената смес от вериги може лесно да бъде разделена по размер с помощта на електрофореза, а синтезираните вериги могат да бъдат идентифицирани чрез радиоактивност върху рентгенов филм (виж Фиг. 10).

Оказва се снимката, показана в долната част на снимката, наречена радиоавтограф. Придвижвайки се отдолу нагоре и четейки буквата над колоните на всяка зона, ще получим нуклеотидната последователност, показана на фигурата вдясно от автографа. Оказа се, че синтезът се спира не само от дидезоксинуклеотиди, но и от нуклеотиди, в които към третата позиция на захарта е прикрепена някаква химична група, например флуоресцентно багрило. Ако всеки нуклеотид е маркиран със собствено багрило, тогава зоните, получени чрез разделяне на синтезираните вериги, ще светят с различна светлина. Това дава възможност да се проведе реакцията в една епруветка едновременно за всички нуклеотиди и чрез разделяне на получените вериги по дължина да се идентифицират нуклеотидите по цвят (виж фиг. 11).

Подобни методи позволяват да се определят последователностите не само на отделни гени, но и да се разчитат цели геноми. Вече са разработени още по-бързи методи за определяне на нуклеотидни последователности в гените. Ако първият човешки геном беше дешифриран от голям международен консорциум по първия даден метод за 12 години, вторият, по втория, за три години, сега това може да стане за един месец. Това ви позволява да предвидите предразположеността на човек към много заболявания и да вземете мерки предварително, за да ги избегнете.

Молекулярна биология

наука, която си поставя за задача познаването на природата на жизнените явления чрез изучаване на биологични обекти и системи на ниво, приближаващо се до молекулярното ниво, а в някои случаи достигащо тази граница. Крайната цел в случая е да се изясни как и до каква степен характерните прояви на живота, като наследственост, размножаване на себеподобните, биосинтеза на протеини, възбудимост, растеж и развитие, съхранение и предаване на информация, енергийни трансформации, мобилност, т.е. и т.н., се дължат на структурата, свойствата и взаимодействието на молекулите на биологично важни вещества, предимно на двата основни класа биополимери с високо молекулно тегло (виж Биополимери) - протеини и нуклеинови киселини. Отличителна черта на M. b. - изследване на явленията на живота върху неодушевени обекти или такива, които се характеризират с най-примитивните прояви на живота. Това са биологични образувания от клетъчно ниво и по-долу: субклетъчни органели, като изолирани клетъчни ядра, митохондрии, рибозоми, хромозоми, клетъчни мембрани; по-нататък - системи, които стоят на границата на живата и неживата природа - вируси, включително бактериофаги и завършващи с молекулите на най-важните компоненти на живата материя - нуклеинови киселини (виж Нуклеинови киселини) и протеини (виж Протеини).

М. б. - нова област на природните науки, тясно свързана с отдавна установени области на изследване, които са обхванати от биохимия (вижте биохимия), биофизика (вижте биофизика) и биоорганична химия (вижте биоорганична химия). Разграничението тук е възможно само въз основа на отчитане на използваните методи и фундаменталния характер на използваните подходи.

Основата, върху която се развива М., е поставена от такива науки като генетика, биохимия, физиология на елементарните процеси и др. неразривно свързан с молекулярната генетика (виж Молекулярна генетика) , което продължава да съставлява важна част от М. банковото дело, въпреки че вече се е оформило до голяма степен в самостоятелна дисциплина. Изолацията на М. от биохимията е продиктувано от следните съображения. Задачите на биохимията се свеждат главно до установяване на участието на определени химични вещества в определени биологични функции и процеси и изясняване характера на техните трансформации; водещата роля принадлежи на информацията за реактивността и за основните характеристики на химичния строеж, изразени с обичайните химична формула. По този начин, по същество, вниманието е фокусирано върху трансформациите, засягащи главните валентни химични връзки. Междувременно, както беше подчертано от Л. Полинг , в биологичните системи и проявленията на жизнената активност основното значение трябва да се отдава не на главните валентни връзки, действащи в една и съща молекула, а на различни видове връзки, които определят междумолекулни взаимодействия (електростатични, ван дер ваалсови, водородни връзки и др.) .

Крайният резултат от биохимично изследване може да бъде представен под формата на система от химични уравнения, обикновено напълно изчерпана от представянето им в равнина, т.е. в две измерения. Отличителна черта на M. b. е нейната триизмерност. Същността на M. b. М. Перуц го вижда в тълкуването на биологичните функции от гледна точка на молекулярната структура. Можем да кажем, че ако преди, при изучаване на биологични обекти, беше необходимо да се отговори на въпроса „какво“, тоест какви вещества присъстват, и на въпроса „къде“ - в кои тъкани и органи, тогава M. b. си поставя за задача да получи отговори на въпроса „как“, след като е научил същността на ролята и участието на цялата структура на молекулата, и на въпросите „защо“ и „за какво“, след като е разбрал, на от една страна, връзките между свойствата на молекулата (отново, преди всичко протеини и нуклеинови киселини) и изпълняваните от нея функции, а от друга страна, ролята на такива отделни функции в общия комплекс от прояви на жизнената дейност.

Взаимното разположение на атомите и техните групи в общата структура на макромолекулата, техните пространствени отношения придобиват решаваща роля. Това се отнася както за отделни, отделни компоненти, така и за цялостната конфигурация на молекулата като цяло. Именно в резултат на възникването на строго определена обемна структура биополимерните молекули придобиват тези свойства, благодарение на които са в състояние да служат като материална основа на биологичните функции. Този принцип на подход към изучаването на живите е най-характерната, типична черта на M. b.

История справка. Страхотна ценаизследвания на биологични проблеми на молекулярно ниво е предвидено от И. П. Павлов , който говори за последната стъпка в науката за живота - физиологията на живата молекула. Самият термин „М. б." е използван за първи път на английски. учени W. Astbury в приложение към изследвания, свързани с изясняване на връзката между молекулярната структура и физическите и биологични свойства на фибриларни (влакнести) протеини, като колаген, кръвен фибрин или контрактилни мускулни протеини. Широко използвайте термина „М. б." стомана от началото на 1950 г. 20-ти век

Появата на М. като зряла наука е прието да се говори за 1953 г., когато Дж. Уотсън и Ф. Крик в Кеймбридж (Великобритания) откриват триизмерната структура на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК). Това даде възможност да се говори за това как детайлите на тази структура определят биологичните функции на ДНК като материален носител на наследствена информация. По принцип тази роля на ДНК стана известна малко по-рано (1944 г.) в резултат на работата на американския генетик О. Т. Ейвъри и сътрудници (виж Молекулярна генетика), но не беше известно до каква степен тази функция зависи от молекулярната структура на ДНК. Това стана възможно едва след като лабораториите на W. L. Bragg, J. Bernal и други разработиха нови принципи на рентгенов дифракционен анализ, което осигури използването на този метод за подробно познаване на пространствената структура на протеиновите макромолекули и нуклеиновите киселини.

Нива на молекулярна организация.През 1957 г. J. Kendrew установява триизмерната структура на миоглобин a , и в следващите години това беше направено от M. Perutz по отношение на хемоглобин а. Бяха формулирани идеи за различни нива на пространствена организация на макромолекулите. Първичната структура е последователност от отделни звена (мономери) във веригата на получената полимерна молекула. За протеините мономерите са аминокиселини. , за нуклеинови киселини - Нуклеотиди. Линейна, нишковидна молекула на биополимер, в резултат на възникването на водородни връзки, има способността да се побира в пространството по определен начин, например в случай на протеини, както е показано от L. Pauling, може да отнеме под формата на спирала. Това се нарича вторична структура. Третична структура се нарича, когато молекула, която има вторична структура, допълнително се сгъва по един или друг начин, запълвайки триизмерното пространство. И накрая, молекули, които имат триизмерна структура, могат да влязат във взаимодействие, редовно разположени в пространството една спрямо друга и образувайки това, което е обозначено като кватернерна структура; неговите отделни компоненти обикновено се наричат ​​подединици.

Най-очевидният пример за това как една молекулярна триизмерна структура определя биологичните функции на една молекула е ДНК. Има структура на двойна спирала: две нишки, движещи се във взаимно противоположна посока (антипаралелни), са усукани една около друга, образувайки двойна спирала с взаимно допълващо се разположение на основите, т.е. така че срещу определена основа на една верига има винаги е такава основа, която най-добре осигурява образуването на водородни връзки: адепин (A) се сдвоява с тимин (T), гуанин (G) с цитозин (C). Такава структура създава оптимални условия за най-важните биологични функции на ДНК: количественото размножаване на наследствената информация в процеса на клетъчно делене, като същевременно се запазва качествената неизменност на този поток от генетична информация. Когато клетката се дели, нишките на двойната спирала на ДНК, която служи като матрица или шаблон, се развиват и върху всяка от тях под действието на ензими се синтезира комплементарна нова верига. В резултат на това две напълно идентични дъщерни молекули се получават от една родителска ДНК молекула (виж Клетка, Митоза).

По подобен начин в случая с хемоглобина се оказа, че неговата биологична функция - способността обратимо да свързва кислорода в белите дробове и след това да го предава на тъканите - е тясно свързана с характеристиките на триизмерната структура на хемоглобина и неговите промени в процесът на изпълнение на неговата физиологична роля. При свързване и дисоцииране на O 2 настъпват пространствени промени в конформацията на молекулата на хемоглобина, което води до промяна в афинитета на съдържащите се в него железни атоми към кислорода. Промени в размера на молекулата на хемоглобина, наподобяващи промени в обема гръден кошпри дишане, разрешено да се нарича хемоглобин "молекулярни бели дробове".

Една от най-важните характеристики на живите обекти е способността им да регулират фино всички прояви на жизнената дейност. Основният принос на М. научните открития трябва да се считат за откриването на нов, неизвестен досега регулаторен механизъм, наричан алостеричен ефект. Тя се крие в способността на веществата с ниско молекулно тегло - т.нар. лиганди - за модифициране на специфичните биологични функции на макромолекулите, предимно каталитично действащи протеини - ензими, хемоглобин, рецепторни протеини, участващи в изграждането на биологични мембрани (вижте Биологични мембрани), в синаптичното предаване (вижте синапси) и др.

Три биотични потока.В светлината на идеите на М. съвкупността от явления на живота може да се разглежда като резултат от комбинация от три потока: потокът на материята, който намира своя израз в явленията на метаболизма, т.е. асимилация и дисимилация; потокът от енергия, който е движещата сила за всички прояви на живота; и потока от информация, проникващ не само в цялото разнообразие от процеси на развитие и съществуване на всеки организъм, но и в непрекъсната поредица от последователни поколения. Именно идеята за потока от информация, въведена в доктрината за живия свят чрез развитието на биоматериалите, оставя своя специфичен, уникален отпечатък върху него.

Най-важните постижения на молекулярната биология.Бързина, обхват и дълбочина на влиянието на М. напредъкът в разбирането на фундаменталните проблеми на изучаването на живата природа с право се сравнява например с влиянието на квантовата теория върху развитието на атомната физика. Две вътрешно свързани условия определят това революционно въздействие. От една страна, решаваща роля изигра откриването на възможността за изучаване на най-важните прояви на жизнената дейност при най-прости условия, доближаващи се до вида на химичните и физичните експерименти. От друга страна, като следствие от това обстоятелство, имаше бързо включване на значителен брой представители точни науки- физици, химици, кристалографи, а след това и математици - в разработването на биологични проблеми. В своята съвкупност тези обстоятелства определят необичайно бързия темп на развитие на М. б., броя и значението на неговите успехи, постигнати само за две десетилетия. Ето далеч не пълен списък на тези постижения: разкриване на структурата и механизма на биологичната функция на ДНК, всички видове РНК и рибозоми (виж Рибозоми) , разкриване на генетичния код (вижте генетичен код) ; откриване на обратна транскрипция (виж транскрипция) , т.е. синтез на ДНК върху матрица на РНК; изследване на механизмите на функциониране на дихателните пигменти; откриване на триизмерна структура и нейната функционална роля в действието на ензимите (виж Ензими) , принцип на матричен синтез и механизми на биосинтеза на протеини; разкриване на структурата на вирусите (вижте вируси) и механизмите на тяхната репликация, първичната и отчасти пространствената структура на антителата; изолиране на отделни гени , химически и след това биологичен (ензимен) генен синтез, включително човешки, извън клетката (in vitro); трансфер на гени от един организъм в друг, включително в човешки клетки; бързо напредващото дешифриране на химическата структура на нарастващ брой отделни протеини, главно ензими, както и нуклеинови киселини; откриване на феномена на "самосглобяването" на някои биологични обекти с все по-голяма сложност, като се започне от молекулите на нуклеиновата киселина и се стигне до многокомпонентни ензими, вируси, рибозоми и др.; изясняване на алостеричните и други основни принципи на регулация на биологичните функции и процеси.

Редукционизъм и интеграция.М. б. е последният етап от това направление в изучаването на живите обекти, което се обозначава като "редукционизъм", т.е. желанието да се намалят сложните жизнени функции до явления, възникващи на молекулярно ниво и следователно достъпни за изследване с методите на физиката и химията . Постигнато M. b. успехите свидетелстват за ефективността на този подход. В същото време трябва да се има предвид, че в естествени условия в клетка, тъкан, орган и целия организъм имаме работа със системи с нарастваща сложност. Такива системи се формират от компоненти на по-ниско ниво чрез тяхното редовно интегриране в цялости, придобиване на структурна и функционална организация и притежаване на нови свойства. Следователно, тъй като знанието за моделите, налични за разкриване на молекулярно и съседни нива, е подробно, преди M. b. възниква задачата за разбиране на механизмите на интеграция като линия на по-нататъшно развитие в изучаването на явленията на живота. Отправна точка тук е изследването на силите на междумолекулните взаимодействия – водородни връзки, ван дер Ваалс, електростатични сили и др. По своята комбинация и пространствено разположение те формират това, което може да се нарече „интегративна информация“. Тя трябва да се разглежда като една от основните части на вече споменатия поток от информация. В района на М. примери за интеграция могат да бъдат явленията на самосглобяване на сложни образувания от смес от тях съставни части. Това включва например образуването на многокомпонентни протеини от техните субединици, образуването на вируси от техните съставни части - протеини и нуклеинови киселини, възстановяването на оригиналната структура на рибозомите след разделянето на техните протеинови и нуклеинови компоненти и др. изследването на тези явления е пряко свързано с познаването на основните явления „разпознаване” на биополимерните молекули. Целта е да се установи какви комбинации от аминокиселини - в протеинови молекули или нуклеотиди - в нуклеиновите киселини взаимодействат помежду си по време на процесите на асоцииране на отделни молекули с образуването на комплекси със строго специфичен, предварително определен състав и структура. Те включват процесите на образуване на сложни протеини от техните субединици; освен това, селективно взаимодействие между молекулите на нуклеинова киселина, например транспорт и матрица (в този случай откриването на генетичния код значително разшири нашата информация); накрая, това е образуването на много видове структури (например рибозоми, вируси, хромозоми), в които участват както протеини, така и нуклеинови киселини. Разкриването на съответните закони, познаването на „езика“, лежащ в основата на тези взаимодействия, е една от най-важните области на математическата лингвистика, която все още очаква развитие. Тази област се счита за една от основните проблеми за цялата биосфера.

Проблеми на молекулярната биология.Наред с посочените важни задачи М. би. (познаване на законите на "разпознаването", самосглобяването и интегрирането) действителната посока на научното търсене в близкото бъдеще е разработването на методи, които позволяват дешифриране на структурата, а след това и триизмерната, пространствена организация на високомолекулни нуклеинова киселина. Това вече е постигнато по отношение на общия план на триизмерната структура на ДНК (двойна спирала), но без точно познаване на нейната първична структура. Бързи успехив разработването на аналитични методи ни позволяват уверено да очакваме постигането на тези цели през следващите години. Тук, разбира се, основният принос идва от представители на сродните науки, преди всичко физиката и химията. Всички най-важни методи, чието използване осигури появата и успеха на M. b., бяха предложени и разработени от физици (ултрацентрофугиране, рентгенов дифракционен анализ, електронна микроскопия, ядрено-магнитен резонанс и др.). Почти всички нови физически експериментални подходи (например използването на компютри, синхротронно или спирачно лъчение, лазерна технология и др.) разкриват нови възможности за задълбочено проучванепроблеми М. б. Сред най-важните задачи от практически характер, чийто отговор се очаква от М. б., на първо място е проблемът молекулярни базизлокачествен растеж, след това - начини за предотвратяване, а може би и преодоляване на наследствени заболявания - "молекулярни болести" (Виж Молекулярни болести). От голямо значение ще бъде изясняването на молекулярната основа на биологичната катализа, т. е. действието на ензимите. Сред най-важните съвременни направления на M. b. трябва да включва желанието да се дешифрират молекулярните механизми на действие на хормоните (виж Хормони) , токсични и лекарствени вещества, както и да разберете подробностите за молекулярната структура и функционирането на такива клетъчни структури като биологични мембрани, участващи в регулирането на процесите на проникване и транспортиране на вещества. По-далечни цели М. б. - познаване на природата на нервните процеси, механизмите на паметта (виж Памет) и др. Един от важните нововъзникващи раздели на M. b. - т.нар. генно инженерство, което си поставя за задача целенасоченото функциониране на генетичния апарат (генома) на живите организми, като се започне от микроби и по-ниски (едноклетъчни) и се стигне до човека (в последния случай, предимно с цел радикално лечение на наследствени заболявания (Вж. Наследствени заболявания) и корекция на генетични дефекти ). По-мащабни намеси в човешката генетична основа могат да се обсъждат само в повече или по-малко далечно бъдеще, тъй като в този случай възникват сериозни пречки, както технически, така и фундаментални. Относно микроби, растения, и е възможно, и страница - х. За животните такива перспективи са много обнадеждаващи (например получаване на сортове култивирани растения, които имат апарат за фиксиране на азот от въздуха и не се нуждаят от торове). Те се основават на вече постигнатите успехи: изолиране и синтез на гени, трансфер на гени от един организъм в друг, използване на масови клетъчни култури като производители на икономически или медицински важни вещества.

Организация на изследванията по молекулярна биология.Бързото развитие на М. доведе до появата на голям брой специализирани изследователски центрове. Броят им бързо расте. Най-големите: във Великобритания - Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж, Кралският институт в Лондон; във Франция - институти по молекулярна биология в Париж, Марсилия, Страсбург, институт "Пастьор"; в САЩ - отдели M. b. в университети и институти в Бостън (Харвардски университет, Масачузетски технологичен институт), Сан Франциско (Бъркли), Лос Анджелис (Калифорнийски технологичен институт), Ню Йорк (Университет Рокфелер), здравни институти в Бетесда и др.; в Германия - институтите Макс Планк, университетите в Гьотинген и Мюнхен; в Швеция, Каролинския институт в Стокхолм; в ГДР - Централният институт по молекулярна биология в Берлин, институти в Йена и Хале; в Унгария - Биологичен център в Сегед. В СССР ще бъде първият специализиран институт М. е създадена в Москва през 1957 г. в системата на Академията на науките на СССР (вж. ); след това се формират: Институтът по биоорганична химия на Академията на науките на СССР в Москва, Институтът по протеин в Пущино, Биологичният отдел в Института за атомна енергия (Москва) и отделите на M. b. в институтите на Сибирския клон на Академията на науките в Новосибирск, Междуведомствената лаборатория по биоорганична химия на Московския държавен университет, Сектора (по-късно Института) по молекулярна биология и генетика на Академията на науките на Украинската ССР в Киев ; значителна работа по M. b. се провежда в Института за високомолекулни съединения в Ленинград, в редица отдели и лаборатории на Академията на науките на СССР и други отдели.

Наред с отделните изследователски центрове възникват организации от по-широк мащаб. В Западна Европа възниква Европейската организация за М. (EMBO), в който участват над 10 държави. В СССР през 1966 г. в Института по молекулярна биология е създаден Научен съвет по МБ, който е координиращ и организиращ център в тази област на знанието. Той публикува обширна поредица от монографии по най-важните раздели на M. b., редовно се организират „зимни училища“ по M. b., провеждат се конференции и симпозиуми по актуални проблеми на M. b. В бъдеще научните съвети относно M. биха. са създадени в Академията на медицинските науки на СССР и много републикански академии на науките. Списание Molecular Biology излиза от 1966 г. (6 броя годишно).

За относително краткосроченв СССР израства значителен отряд изследователи в областта на М.; това са учени от по-старото поколение, които частично са прехвърлили интересите си от други области; в по-голямата си част те са много млади изследователи. Сред водещите учени, взели активно участие във формирането и развитието на M. b. в СССР могат да се назоват А. А. Баев, А. Н. Белозерски, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Енгелгард. Новите постижения на М. и молекулярната генетика ще бъдат насърчавани от резолюцията на Централния комитет на КПСС и Съвета на министрите на СССР (май 1974 г.) „За мерките за ускоряване на развитието на молекулярната биология и молекулярната генетика и използването на техните постижения в националната икономика."

Лит.:Вагнер Р., Мичъл Г., Генетика и метаболизъм, прев. от англ., М., 1958; Szent-Gyorgy и A., Биоенергетика, прев. от англ., М., 1960; Анфинсен К., Молекулярна основа на еволюцията, прев. от англ., М., 1962; Стенли У., Валенс Е., Вирусите и природата на живота, прев. от англ., М., 1963; Молекулярна генетика, прев. с. Английски, част 1, М., 1964; Volkenstein M.V., Молекули и живот. Въведение в молекулярната биофизика, М., 1965; Gaurowitz F., Химия и функции на протеините, прев. от англ., М., 1965; Бреслер С. Е., Въведение в молекулярната биология, 3-то издание, М. - Л., 1973; Ingram V., Биосинтеза на макромолекули, прев. от англ., М., 1966; Енгелхард В. А., Молекулярна биология, в книгата: Развитие на биологията в СССР, М., 1967; Въведение в молекулярната биология, прев. от англ., М., 1967; Watson, J., Молекулярна биология на гена, прев. от англ., М., 1967; Finean J., Биологични ултраструктури, прев. от англ., М., 1970; Bendoll, J., Мускули, молекули и движение, прев. от англ., М., 1970; Ичас М., Биологичен код, прев. от англ., М., 1971; Молекулярна биология на вирусите, М., 1971; Молекулни основи на биосинтезата на протеини, М., 1971; Bernhard S., Структура и функция на ензимите, прев. от англ., М., 1971; Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Рибозома, 2 изд., М., 1971; Frenkel-Konrat H., Химия и биология на вирусите, прев. от английски, М., 1972; Smith C., Hanewalt F., Молекулярна фотобиология. Процеси на инактивиране и възстановяване, прев. от английски, М., 1972; Харис Г., Основи на човешката биохимична генетика, прев. от английски, М., 1973.

В. А. Енгелхард.


Велика съветска енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия. 1969-1978 .

Може да се каже, че молекулярната биология изучава проявите на живота върху неодушевени структури или системи с елементарни признаци на жизнена активност (които могат да бъдат отделни биологични макромолекули, техни комплекси или органели), изучавайки как ключовите процеси, характеризиращи живата материя, се реализират чрез химически взаимодействия и трансформации.

Отделянето на молекулярната биология от биохимията в самостоятелна научна област е продиктувано от факта, че основната й задача е да изучава структурата и свойствата на биологичните макромолекули, участващи в различни процеси, да изясни механизмите на тяхното взаимодействие. Биохимията, от друга страна, се занимава с изучаването на действителните процеси на жизнената дейност, закономерностите на тяхното протичане в живия организъм и трансформациите на молекулите, които съпътстват тези процеси. В крайна сметка молекулярната биология се опитва да отговори на въпроса защо възниква този или онзи процес, докато биохимията отговаря на въпросите къде и как, от гледна точка на химията, възниква въпросният процес.

История

Молекулярната биология като отделна област на биохимията започва да се оформя през 30-те години на миналия век. Тогава за по-задълбочено разбиране на феномена живот възниква необходимостта от целенасочени изследвания на молекулярно ниво на процесите на съхранение и предаване на наследствена информация в живите организми. Тогава задачата на молекулярната биология е определена в изучаването на структурата, свойствата и взаимодействието на нуклеиновите киселини и протеините. Терминът "молекулярна биология" е използван за първи път от английския учен Уилям Астбъри в контекста на изследване, свързано с изясняване на връзката между молекулярната структура и физическите и биологични свойства на фибриларните протеини, като колаген, кръвен фибрин или мускулни контрактилни протеини .

В ранните дни на молекулярната биология РНК се смяташе за компонент на растенията и гъбите, докато ДНК се разглеждаше като типичен компонент на животинските клетки. Първият изследовател, който доказва, че ДНК се намира в растенията, е Андрей Николаевич Белозерски, който изолира ДНК на грах през 1935 г. Това откритие установява факта, че ДНК е универсална нуклеинова киселина, присъстваща в растителни и животински клетки.

Голямо постижение е установяването от Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм на пряка причинно-следствена връзка между гени и протеини. В своите експерименти те излагат клетки от невроспори ( Невроспоракрасса) Излагане на рентгенови лъчи, което е причинило мутации. Получените резултати показват, че това води до промяна в свойствата на специфични ензими.

През 1940 г. Алберт Клод изолира гранули, съдържащи цитоплазмена РНК, от цитоплазмата на животински клетки, които са по-малки от митохондриите. Той ги нарече микрозоми. Впоследствие при изследване на структурата и свойствата на изолираните частици се установява тяхната фундаментална роля в процеса на биосинтеза на протеини. През 1958 г. на първия симпозиум, посветен на тези частици, беше решено тези частици да бъдат наречени рибозоми.

Друга важна стъпка в развитието на молекулярната биология са публикуваните данни от експеримента на Осуалд ​​Ейвъри, Колин Маклауд и Маклийн Маккарти през 1944 г., които показват, че ДНК е причината за бактериалната трансформация. Това беше първото експериментално доказателство за ролята на ДНК в предаването на наследствена информация, развенчавайки по-ранната идея за протеиновата природа на гените.

В началото на 50-те години на миналия век Фредерик Сангер показа, че протеиновата верига е уникална последователност от аминокиселинни остатъци. В края на 50-те години Макс Перуц и Джон Кендрю дешифрират пространствената структура на първите протеини. Още през 2000 г. бяха известни стотици хиляди естествени аминокиселинни последователности и хиляди пространствени структури на протеини.

Приблизително по същото време изследванията на Ервин Чаргаф му позволяват да формулира правила, описващи съотношението на азотните бази в ДНК (правилата гласят, че независимо от видовите различия в ДНК, количеството гуанин е равно на количеството цитозин и количеството аденин е равно на количеството themin), което по-късно спомага за най-големия пробив в молекулярната биология и едно от най-големите открития в биологията изобщо.

Това събитие се случи през 1953 г., когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик, въз основа на работата на Розалинд Франклин и Морис Уилкинс на Рентгенов дифракционен анализДНК, установява двойноверижната структура на ДНК молекулата. Това откритие даде възможност да се отговори на основния въпрос за способността на носителя на наследствена информация да се самовъзпроизвежда и да се разбере механизмът на предаване на такава информация. Същите учени формулират принципа на комплементарност на азотните основи, който е от ключово значение за разбирането на механизма на образуване на надмолекулни структури. Този принцип, който сега се използва за описание на всички молекулни комплекси, позволява да се опишат и предскажат условията за възникване на слаби (невалентни) междумолекулни взаимодействия, които определят възможността за образуване на вторични, третични и т.н. структури на макромолекули, самосглобяване на супрамолекулни биологични системи, които определят толкова голямо разнообразие от молекулни структури и техните функционални комплекти. Тогава, през 1953 г., възникна Научно списаниеВестник по молекулярна биология. Той се оглавява от Джон Кендрю, чиято област на научен интерес е изследването на структурата на глобуларните протеини (Нобелова награда през 1962 г., съвместно с Макс Перуц). Подобно рускоезично списание, наречено "Молекулярна биология", е основано в СССР от В. А. Енгелхард през 1966 г.

През 1958 г. Франсис Крик формулира т.нар. централната догма на молекулярната биология: идеята за необратимостта на потока на генетична информация от ДНК през РНК към протеини по схемата ДНК → ДНК (репликация, създаване на копие на ДНК), ДНК → РНК (транскрипция, копиране на гени), РНК → протеин (превод, декодиране на информация за структурата на протеините). Тази догма е коригирана донякъде през 1970 г., като се вземат предвид натрупаните знания, тъй като феноменът на обратната транскрипция е открит независимо от Хауърд Темин и Дейвид Балтимор: открит е ензим - обратна транскриптаза, който е отговорен за осъществяването на обратната транскрипция - образуване на двойноверижна ДНК върху едноверижна РНК матрица, което се среща при онкогенни вируси. Трябва да се отбележи, че строгата необходимост от потока на генетична информация от нуклеиновите киселини към протеините все още остава в основата на молекулярната биология.

През 1957 г. Александър Сергеевич Спирин, заедно с Андрей Николаевич Белозерски, показват, че въпреки значителните разлики в нуклеотидния състав на ДНК от различни организми, съставът на общата РНК е подобен. Въз основа на тези данни те стигнаха до сензационното заключение, че общата РНК на клетката не може да действа като носител на генетична информация от ДНК към протеини, тъй като не съответства на нея по своя състав. В същото време те забелязаха, че има малка част от РНК, която напълно съответства по своя нуклеотиден състав на ДНК и която може да бъде истински носител на генетична информация от ДНК към протеини. В резултат на това те предсказаха съществуването на сравнително малки РНК молекули, които са аналогични по структура на отделни участъци от ДНК и действат като посредници при трансфера на генетична информация, съдържаща се в ДНК, към рибозомата, където протеиновите молекули се синтезират с помощта на тази информация. През 1961 г. (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson от една страна и F. Gros, Francois Jacob и Jacques Monod са първите, които експериментално потвърждават съществуването на такива молекули - информационна (матрична) РНК. В същото време те разработиха концепцията и модела на функционалните единици на ДНК - оперон, което позволи да се обясни точно как се извършва регулацията на генната експресия в прокариотите.Изследването на механизмите на биосинтезата на протеини и принципите на структурната организация и работата на молекулярни машини - рибозоми - направи възможно формулирането на постулат, описващ движението на генетичната информация, наречен централната догма на молекулярната биология: ДНК - иРНК е протеин.

През 1961 г. и през следващите няколко години Хайнрих Матей и Маршал Ниренберг, а след това Хар Корана и Робърт Холи извършват няколко работи за дешифриране на генетичния код, в резултат на което се установява пряка връзка между структурата на ДНК и синтезираните протеини и нуклеотидната последователност, която определя набор от аминокиселини в протеин. Получени са и данни за универсалността на генетичния код. Откритията бяха отбелязани Нобелова награда 1968 г.

За развитието на съвременните идеи за функциите на РНК, откриването на некодираща РНК, направено въз основа на резултатите от работата на Александър Сергеевич Спирин заедно с Андрей Николаевич Белозерски през 1958 г., Чарлз Бренер със съавтори и Саул Шпигелман през 1961 г. беше решаващ. Този тип РНК съставлява по-голямата част от клетъчната РНК. Рибозомните РНК са предимно некодиращи.

Сериозно развитие получиха методите за култивиране и хибридизиране на животински клетки. През 1963 г. Франсоа Якоб и Сидни Бренер формулират идеята за репликон, последователност от присъщи репликиращи се гени, която обяснява важни аспекти на регулацията на генната репликация.

През 1967 г. в лабораторията на А. С. Спирин за първи път беше демонстрирано, че формата на компактно нагъната РНК определя морфологията на рибозомната частица.

През 1968 г. е направено значително фундаментално откритие. Okazaki, след като открива ДНК фрагменти от изоставащата верига в изследването на процеса на репликация, наименува Okazaki фрагменти след нея, изяснява механизма на репликация на ДНК.

През 1970 г. Хауърд Темин и Дейвид Балтимор независимо един от друг правят значимо откритие: открит е ензим - обратна транскриптаза, който е отговорен за осъществяването на обратната транскрипция - образуването на двойноверижна ДНК върху едноверижна РНК матрица, което се случва в онкогенни вируси, съдържащи РНК.

Друго важно постижение на молекулярната биология е обяснението на механизма на мутациите на молекулярно ниво. В резултат на поредица от изследвания бяха установени основните видове мутации: дупликации, инверсии, делеции, транслокации и транспозиции. Това направи възможно разглеждането на еволюционните промени от гледна точка на генните процеси и направи възможно разработването на теорията за молекулярните часовници, която се използва във филогенезата.

До началото на 70-те години на миналия век бяха формулирани основните принципи на функциониране на нуклеиновите киселини и протеините в живия организъм. Установено е, че протеините и нуклеиновите киселини в тялото се синтезират по матричен механизъм, като матричната молекула носи криптирана информация за последователността на аминокиселините (в протеина) или нуклеотидите (в нуклеиновата киселина). По време на репликация (удвояване на ДНК) или транскрипция (синтез на иРНК), ДНК служи като такава матрица, по време на транслация (синтез на протеин) или обратна транскрипция - иРНК.

По този начин бяха създадени теоретични предпоставки за развитието на приложни области на молекулярната биология, по-специално на генното инженерство. През 1972 г. Пол Берг, Хърбърт Бауер и Стенли Коен разработват технология за молекулярно клониране. Тогава те първи получиха рекомбинантна ДНК in vitro. Тези изключителни експерименти поставиха основите на генното инженерство и тази година се счита за рождена дата на това научно направление.

През 1977 г. Фредерик Сангер и независимо Алън Максум и Уолтър Гилбърт разработват различни методи за определяне на първичната структура (секвениране) на ДНК. Методът Sanger, така нареченият метод за прекъсване на веригата, е в основата на съвременния метод на секвениране. Принципът на секвениране се основава на използването на белязани бази, които действат като терминатори в реакция на циклично секвениране. Този метод стана широко разпространен поради възможността за бързо провеждане на анализ.

1976 - Фредерик. Sanger дешифрира нуклеотидната последователност на ДНК на фага φΧ174 с дължина 5375 нуклеотидни двойки.

1981 г. – Сърповидноклетъчната анемия става първото генетично заболяване, диагностицирано чрез ДНК анализ.

1982-1983 г. откриването на каталитичната функция на РНК в американските лаборатории на Т. Чек и С. Алтман променя съществуващите представи за изключителната роля на протеините. По аналогия с каталитичните протеини - ензими, каталитичните РНК бяха наречени рибозими.

1987 Keri Mullez открива полимеразната верижна реакция, благодарение на която е възможно изкуствено да се увеличи значително броят на ДНК молекулите в разтвора за по-нататъшна работа. Днес това е един от най-важните методи на молекулярната биология, използван при изследване на наследствени и вирусни заболявания, при изследване на гени и при генетична идентификация и родство и др.

През 1990 г. по едно и също време три групи учени публикуват метод, който дава възможност за бързо получаване на синтетични функционално активни РНК в лаборатория (изкуствени рибозими или молекули, които взаимодействат с различни лиганди - аптамери). Този метод се нарича "еволюция ин витро". И скоро след това, през 1991-1993 г. в лабораторията на А.Б. Четверина беше експериментално показана възможността за съществуване, растеж и амплификация на РНК молекули под формата на колонии върху твърди среди.

През 1998 г., почти едновременно, Крейг Мело и Андрю Файър описват механизма, наблюдаван по-рано при генни експерименти с бактерии и цветя. РНК интерференция, при което малка двуверижна РНК молекула води до специфично потискане на генната експресия.

Откриването на механизма на РНК интерференцията е от голямо практическо значение за съвременната молекулярна биология. Този феномен се използва широко в научните експерименти като инструмент за "изключване", тоест потискане на експресията на отделни гени. От особен интерес е фактът, че този метод позволява обратимо (временно) потискане на активността на изследваните гени. Провеждат се изследвания за прилагане на този феномен за лечение на вирусни, неопластични, дегенеративни и метаболитни заболявания. Трябва да се отбележи, че през 2002 г. бяха открити мутанти на полиомиелитни вируси, които могат да избегнат РНК интерференция, така че е необходима по-усърдна работа за разработване на наистина ефективни лечения, базирани на този феномен.

През 1999-2001 г. няколко групи изследователи определят структурата на бактериалната рибозома с разделителна способност от 5,5 до 2,4 ангстрьома.

Вещ

Постиженията на молекулярната биология в познаването на живата природа трудно могат да бъдат надценени. Голям успех е постигнат благодарение на успешна изследователска концепция: сложните биологични процеси се разглеждат от гледна точка на отделните молекулярни системи, което прави възможно прилагането на точни физични и химични методиизследвания. Той също така привлече много велики умове от сродни области в тази област на науката: химия, физика, цитология, вирусология, което също имаше благоприятен ефект върху мащаба и скоростта на развитие на научните знания в тази област. Такива значими открития като определянето на структурата на ДНК, дешифрирането на генетичния код и изкуствено насочената модификация на генома позволиха да се разберат много по-дълбоко спецификата на процесите на развитие на организмите и успешно да се решат много важни фундаментални и приложни научни, медицински и социални проблеми, които не толкова отдавна се смятаха за неразрешими.

Предмет на изучаване на молекулярната биология са основно протеини, нуклеинови киселини и молекулярни комплекси (молекулярни машини) на тяхна основа и процесите, в които участват.

Нуклеиновите киселини са линейни полимери, състоящи се от нуклеотидни единици (съединения на петчленна захар с фосфатна група при петия атом на цикъла и една от четирите азотни бази), свързани помежду си чрез естерна връзка от фосфатни групи. Така нуклеиновата киселина е пентозофосфатен полимер с азотни основи като странични заместители. Химичен съставРНК веригата се различава от ДНК по това, че първата се състои от петчленен рибозен въглехидратен цикъл, докато втората се състои от дехидроксилирано рибозно производно - дезоксирибоза. В същото време тези молекули се различават драматично в пространството, тъй като РНК е гъвкава едноверижна молекула, докато ДНК е двуверижна молекула.

Протеините са линейни полимери, които представляват вериги от алфа-аминокиселини, свързани помежду си с пептидна връзка, откъдето идва и второто им име - полипептиди. Съставът на естествените протеини включва много различни аминокиселинни единици - при хората до 20 -, което определя голямо разнообразие функционални свойстватези молекули. Тези или онези протеини участват в почти всеки процес в тялото и изпълняват много задачи: те играят ролята на клетъчен строителен материал, осигуряват транспорт на вещества и йони, катализират химични реакции - този списък е много дълъг. Протеините образуват стабилни молекулни конформации на различни нива на организация (вторични и третични структури) и молекулни комплекси, което допълнително разширява тяхната функционалност. Тези молекули могат да имат висока специфичност за изпълнение на определени задачи поради образуването на сложна пространствена глобуларна структура. Голямото разнообразие от протеини осигурява постоянния интерес на учените към този вид молекули.

Съвременните идеи за предмета на молекулярната биология се основават на обобщение, представено за първи път през 1958 г. от Франсис Крик като централна догма на молекулярната биология. Неговата същност беше твърдението, че генетичната информация в живите организми преминава през строго определени етапи на внедряване: копиране от ДНК в ДНК на входа на наследството, от ДНК в РНК и след това от РНК в протеин, като обратният преход не е осъществим. Това твърдение беше вярно само отчасти, следователно впоследствие централната догма беше коригирана с оглед на новооткритите данни.

На този моментИзвестни са няколко начина за реализация на генетичен материал, представляващи различни последователности на реализация на трите типа съществуване на генетична информация: ДНК, РНК и протеин. В девет възможни начина на реализация се разграничават три групи: това са три общи трансформации (генерални), които се извършват нормално в повечето живи организми; три специални трансформации (специални), извършени в някои вируси или в специални лабораторни условия; три неизвестни трансформации (неизвестни), изпълнението на които се счита за невъзможно.

Общите трансформации включват следните начини за внедряване на генетичния код: ДНК→ДНК (репликация), ДНК→РНК (транскрипция), РНК→протеин (транслация).

За да осъществят предаването на наследствени черти, родителите трябва да предадат пълноценна ДНК молекула на своите потомци. Процесът, чрез който може да се синтезира точно копие на оригиналната ДНК и следователно да се прехвърли генетичен материал, се нарича репликация. Осъществява се от специални протеини, които разплитат молекулата (изправят нейния участък), развиват двойната спирала и с помощта на ДНК полимераза създават точно копие на оригиналната ДНК молекула.

За да осигури живота на една клетка, тя трябва постоянно да се обръща към генетичния код, вграден в двойната спирала на ДНК. Въпреки това, тази молекула е твърде голяма и тромава, за да бъде използвана като директен източник на генетичен материал за непрекъснат протеинов синтез. Следователно, в процеса на внедряване на информацията, вградена в ДНК, има междинен етап: синтеза на иРНК, която е малка едноверижна молекула, комплементарна на определен сегмент от ДНК, кодиращ определен протеин. Процесът на транскрипция се осигурява от РНК полимераза и транскрипционни фактори. След това получената молекула може лесно да бъде доставена до частта от клетката, отговорна за протеиновия синтез - рибозомата.

След като РНК навлезе в рибозомата, започва последният етап от реализацията на генетичната информация. В този случай рибозомата чете генетичния код от иРНК в триплети, наречени кодони и синтезира съответния протеин въз основа на получената информация.

В хода на специални трансформации генетичният код се реализира по схемата РНК → РНК (репликация), РНК → ДНК (обратна транскрипция), ДНК → протеин (директна транслация). Репликацията от този тип се осъществява в много вируси, където се осъществява от ензима РНК-зависима РНК полимераза. Подобни ензими се намират и в еукариотните клетки, където те са свързани с процеса на заглушаване на РНК. Обратната транскрипция е открита в ретровирусите, където се осъществява от ензима обратна транскриптаза, а в някои случаи и в еукариотните клетки, например по време на теломерния синтез. Предаването на живо се извършва само в изкуствени условия в изолирана система извън клетката.

Всеки от трите възможни прехода на генетична информация от протеин към протеин, РНК или ДНК се счита за невъзможен. Случаят на действие на приони върху протеини, в резултат на което се образува подобен прион, може условно да се припише на типа реализация на генетична информация протеин → протеин. Формално обаче не е такъв, тъй като не засяга аминокиселинната последователност в протеина.

Любопитна е историята на появата на термина "централна догма". Тъй като думата догма обикновено означава твърдение, което не подлежи на съмнение, а самата дума има ясна религиозна конотация, изборът й като описание на научен факт не е напълно легитимен. Според самия Франсис Крик това е негова грешка. Той искаше да придаде по-голямо значение на изложената теория, да я разграничи от фона на други теории и хипотези; защо реши да използва тази величествена, според него, дума, без да разбира истинското й значение. Името обаче остана.

Молекулярната биология днес

Бързото развитие на молекулярната биология, постоянният интерес към постиженията в тази област от страна на обществото и обективното значение на изследванията доведоха до появата на голям брой големи изследователски центрове по молекулярна биология по света. Сред най-големите трябва да се посочат: лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж, Кралският институт в Лондон - във Великобритания; институти по молекулярна биология в Париж, Марсилия и Страсбург, Институт Пастьор - във Франция; катедри по молекулярна биология в Харвардския университет и Масачузетския технологичен институт, Университета Бъркли, Калифорнийския технологичен институт, Университета Рокфелер, Института по обществено здраве в Бетесда – в САЩ; институтите Макс Планк, университетите в Гьотинген и Мюнхен, Централният институт по молекулярна биология в Берлин, институтите в Йена и Хале - в Германия; Каролинска институт в Стокхолм, Швеция.

В Русия водещите центрове в тази област са Институтът по молекулярна биология. Институт по молекулярна генетика RAS, Институт по генна биология RAS, Институт по физикохимична биология на името на V.A. Московски държавен университет А. Н. Белозерски. Институт по биохимия М. В. Ломоносов. А. Н. Бах RAS и Института по протеин RAS в Пущино.

Днес полето на интерес на молекулярните биолози обхваща широк кръг от фундаментални научни въпроси. Както и преди, водеща роля заемат изучаването на структурата на нуклеиновите киселини и биосинтезата на протеини, изследването на структурата и функциите на различни вътреклетъчни структури и клетъчни повърхности. Също така важни области на изследване са изучаването на механизмите на приемане и предаване на сигнала, молекулярните механизми на транспортиране на съединения в клетката, а също и от клетката към външната среда и обратно. Сред основните направления на научните изследвания в областта на приложната молекулярна биология, един от най-приоритетните е проблемът за възникването и развитието на туморите. Също така много важна област, която се изучава от секцията по молекулярна биология - молекулярна генетика, е изучаването на молекулярните основи на появата на наследствени заболявания и вирусни заболявания, като СПИН, както и разработването на методи за тяхното профилактика и евентуално лечение на генно ниво. Откритията и разработките на молекулярните биолози в съдебната медицина са намерили широко приложение. Истинска революция в областта на личната идентификация е направена през 80-те години на миналия век от учени от Русия, САЩ и Великобритания благодарение на разработването и внедряването на метода "геномен пръстов отпечатък" - идентифицирането на ДНК в ежедневната практика. Изследванията в тази област продължават и до днес. съвременни методиви позволяват да идентифицирате лицето с вероятност за грешка от една милиардна от процента. Вече има активно развитие на проекта за генетичен паспорт, който, както се очаква, значително ще намали нивото на престъпността.

Методика

Днес молекулярната биология разполага с обширен арсенал от методи за решаване на най-напредналите и най-сложни проблеми, пред които са изправени учените.

Един от най-разпространените методи в молекулярната биология е гел електрофореза, което решава проблема с разделянето на смес от макромолекули по размер или заряд. Почти винаги, след разделянето на макромолекулите в гела, се използва блотиране, метод, който ви позволява да прехвърлите макромолекули от гела (сорб) към повърхността на мембраната за удобство на по-нататъшна работа с тях, по-специално хибридизация. Хибридизация - образуването на хибридна ДНК от две вериги с различна природа - метод, който играе важна роля в фундаментални изследвания. Използва се за определяне допълващи сесегменти в различни ДНК (ДНК различни видове), с негова помощ се търсят нови гени, с негова помощ е открита РНК интерференция, а принципът му е в основата на геномния пръстов отпечатък.

Важна роля в съвременната практика на молекулярно-биологичните изследвания играе методът на секвениране – определяне на последователността на нуклеотидите в нуклеиновите киселини и аминокиселините в белтъците.

Съвременната молекулярна биология не може да бъде представена без метода на полимеразна верижна реакция (PCR). Благодарение на този метод се извършва увеличаване на броя (амплификация) на копия на определена ДНК последователност, за да се получи от една молекула достатъчно количество вещество за по-нататъшна работа с него. Подобен резултат се постига чрез технологията на молекулярно клониране, при която необходимата нуклеотидна последователност се въвежда в ДНК на бактерии (живи системи), след което размножаването на бактериите води до желания резултат. Този подход е технически много по-сложен, но позволява едновременно да се получи резултатът от експресията на изследваната нуклеотидна последователност.

Също така, методите на ултрацентрофугиране (за разделяне на макромолекули (големи количества), клетки, органели), електронна и флуоресцентна микроскопия, спектрофотометрични методи, рентгенов дифракционен анализ, авторадиография и др. са широко използвани в молекулярно-биологичните изследвания.

Благодарение на технологичния прогрес и научните изследвания в областта на химията, физиката, биологията и компютърните науки, модерното оборудване дава възможност да се изолират, изучават и променят отделни гени и процесите, в които те участват.