Studium der Molekularbiologie und biologischen Chemie. Molekularbiologe. Beschreibung des Berufs. Was ist mit Biologie?

Molekularbiologe ist ein Forscher auf dem Gebiet der Medizin, dessen Mission es nicht weniger ist, die Menschheit vor gefährlichen Krankheiten zu retten. Unter solchen Krankheiten ist beispielsweise die Onkologie, die heute zu einer der Haupttodesursachen weltweit geworden ist, dem Spitzenreiter – den Herz-Kreislauf-Erkrankungen – nur knapp unterlegen. Neue Methoden zur Früherkennung der Onkologie, Prävention und Behandlung von Krebs sind eine vorrangige Aufgabe der modernen Medizin. Molekularbiologen auf dem Gebiet der Onkologie entwickeln Antikörper und rekombinante (gentechnisch veränderte) Proteine ​​zur Früherkennung oder gezielten Medikamentenabgabe im Körper. Spezialisten auf diesem Gebiet nutzen die neuesten Errungenschaften von Wissenschaft und Technik, um neue Organismen und organische Substanzen im Hinblick auf deren weitere Verwendung in Forschung und klinischen Aktivitäten zu schaffen. Zu den von Molekularbiologen verwendeten Methoden gehören Klonen, Transfektion, Infektion, Polymerasekettenreaktion, Gensequenzierung und andere. Eines der an Molekularbiologen in Russland interessierten Unternehmen ist PrimeBioMed LLC. Die Organisation beschäftigt sich mit der Herstellung von Antikörper-Reagenzien für die Krebsdiagnose. Solche Antikörper werden hauptsächlich verwendet, um die Art des Tumors, seinen Ursprung und seine Bösartigkeit, also die Fähigkeit zur Metastasierung (Ausbreitung in andere Körperteile), zu bestimmen. Antikörper werden auf dünne Schnitte des untersuchten Gewebes aufgetragen und binden dann in Zellen an bestimmte Proteine ​​– Marker, die in Tumorzellen vorhanden sind, in gesunden Zellen jedoch fehlen und umgekehrt. Abhängig von den Ergebnissen der Studie wird eine weitere Behandlung verordnet. Zu den Kunden von PrimeBioMed zählen nicht nur medizinische, sondern auch wissenschaftliche Einrichtungen, da Antikörper auch zur Lösung von Forschungsproblemen eingesetzt werden können. In solchen Fällen können auf besondere Bestellung für eine bestimmte Aufgabe einzigartige Antikörper hergestellt werden, die an das untersuchte Protein binden können. Eine weitere vielversprechende Forschungsrichtung des Unternehmens ist die gezielte (gezielte) Abgabe von Arzneimitteln im Körper. Dabei dienen Antikörper als Transportmittel: Mit ihrer Hilfe werden Medikamente direkt zu den betroffenen Organen transportiert. Dadurch wird die Behandlung wirksamer und hat weniger negative Folgen für den Körper als beispielsweise eine Chemotherapie, die nicht nur Krebszellen, sondern auch andere Zellen betrifft. Der Beruf des Molekularbiologen wird in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich immer gefragter: Mit steigender durchschnittlicher Lebenserwartung eines Menschen wird auch die Zahl onkologischer Erkrankungen zunehmen. Die Früherkennung von Tumoren und innovative Behandlungsmethoden mit von Molekularbiologen gewonnenen Substanzen werden Leben retten und ihre Qualität verbessern eine riesige Zahl von Leuten.

Grundlegende berufliche Ausbildung

Die Prozentsätze spiegeln die Verteilung von Fachkräften mit einem bestimmten Bildungsniveau auf dem Arbeitsmarkt wider. Wichtige Spezialisierungen zur Beherrschung des Berufs sind grün markiert.

Fähigkeiten und Fertigkeiten

• Fähigkeit im Umgang mit Reagenzien und Proben, muss mit kleinen Gegenständen arbeiten können
• Fähigkeit, mit großen Informationsmengen zu arbeiten
• Fähigkeit, mit den Händen zu arbeiten

Interessen und Vorlieben

• Der Eifer, etwas Neues zu lernen
• Fähigkeit, im Multitasking-Modus zu arbeiten (es ist notwendig, den Fortschritt mehrerer Reaktionen und Prozesse gleichzeitig zu überwachen)
• Genauigkeit
• Verantwortung (Sie können die Arbeit nicht „auf morgen“ verschieben, da die Proben beschädigt werden könnten)
• Gewissenhaftigkeit
• Fleiß
• Achtsamkeit (es ist notwendig, Mikroprozesse zu überwachen)

Beruf in Gesichtern

Maria Shitova

Daria Samoilova

Alexey Gratschow

Molekularbiologie im Bereich der Onkologie – ein vielversprechendes Berufsfeld, denn der Kampf gegen Krebs ist eine der vorrangigen Aufgaben der Weltmedizin.

Molekularbiologen sind aufgrund der aktiven Entwicklung von Wissenschaft, Biotechnologie und innovativen Unternehmen in vielen Bereichen gefragt. Bisher besteht ein kleiner Mangel an Fachkräften, insbesondere solchen mit einiger Erfahrung in ihrem Fachgebiet. Bislang arbeiten immer noch relativ viele Absolventen im Ausland. Es beginnen sich Chancen zu ergeben effektive Arbeit auf dem Gebiet der Biotechnologie in Russland, aber es ist noch zu früh, um über Massencharakter zu sprechen.

Die Arbeit eines Molekularbiologen beinhaltet die aktive Beteiligung eines Spezialisten an wissenschaftlichen Aktivitäten, was zu einem Mechanismus für den beruflichen Aufstieg wird. Eine berufliche Weiterentwicklung ist durch die Teilnahme an wissenschaftlichen Projekten und Konferenzen, ggf. durch die Entwicklung verwandter Wissensgebiete, möglich. Auch in Zukunft ist eine akademische Entwicklung vom Nachwuchsforscher über den Seniorforscher zum Spitzenforscher, Professor und/oder Abteilungs-/Laborleiter möglich.

31.2

Für Freunde!

Referenz

Im April 1953 entstand aus der Biochemie die Molekularbiologie. Sein Aussehen ist mit den Namen von James Watson und Francis Crick verbunden, die die Struktur des DNA-Moleküls entdeckten. Die Entdeckung wurde durch das Studium der Genetik, Bakterien und der Biochemie von Viren ermöglicht. Der Beruf des Molekularbiologen ist nicht weit verbreitet, aber heute spielt er eine wichtige Rolle moderne Gesellschaft sehr groß. Eine Vielzahl von Krankheiten, auch solche, die sich auf genetischer Ebene manifestieren, erfordern, dass Wissenschaftler Lösungen für dieses Problem finden.

Beschreibung der Aktivität

Viren und Bakterien mutieren ständig, was dazu führt, dass Medikamente einem Menschen nicht mehr helfen und Krankheiten unheilbar werden. Aufgabe der Molekularbiologie ist es, diesen Prozess voranzutreiben und ein neues Heilmittel für Krankheiten zu entwickeln. Wissenschaftler arbeiten nach einem bewährten Schema: Sie blockieren die Krankheitsursache, beseitigen die Vererbungsmechanismen und lindern dadurch den Zustand des Patienten. Weltweit gibt es eine Reihe von Zentren, Kliniken und Krankenhäusern, in denen Molekularbiologen neue Behandlungsmethoden entwickeln, um Patienten zu helfen.

Berufliche Verantwortlichkeiten

Zu den Aufgaben eines Molekularbiologen gehört die Untersuchung von Vorgängen im Inneren der Zelle (z. B. Veränderungen der DNA bei der Entstehung von Tumoren). Außerdem untersuchen Experten die Eigenschaften der DNA und ihre Wirkung auf den gesamten Organismus und eine einzelne Zelle. Solche Studien werden beispielsweise auf Basis der PCR (Polymerase-Kettenreaktion) durchgeführt, die es ermöglicht, den Körper auf Infektionen, Erbkrankheiten zu analysieren und biologische Zusammenhänge festzustellen.

Merkmale des Karrierewachstums

Der Beruf des Molekularbiologen ist in seinem Fachgebiet durchaus vielversprechend und belegt bereits heute den ersten Platz im Ranking der Medizinberufe der Zukunft. Übrigens muss ein Molekularbiologe nicht ständig auf diesem Gebiet bleiben. Wenn der Wunsch besteht, den Beruf zu wechseln, kann er sich zum Verkaufsleiter für Laborgeräte umschulen, mit der Entwicklung von Instrumenten für verschiedene Studien beginnen oder ein eigenes Unternehmen gründen.

Fortschritte bei der Erforschung von Nukleinsäuren und der Proteinbiosynthese haben zur Entwicklung einer Reihe von Methoden von großer praktischer Bedeutung in der Medizin, der Landwirtschaft und einer Reihe anderer Branchen geführt.

Nach dem Studium genetischer Code und den Grundprinzipien der Speicherung und Umsetzung von Erbinformationen kam die Entwicklung der Molekularbiologie zum Stillstand, da es keine Methoden gab, die es ermöglichten, Gene zu manipulieren, zu isolieren und zu verändern. Die Entstehung dieser Methoden erfolgte in den 1970er und 1980er Jahren. Dies gab der Entwicklung dieses bis heute florierenden Wissenschaftsbereiches einen starken Impuls. Diese Methoden betreffen zunächst die Gewinnung einzelner Gene und deren Einführung in Zellen anderer Organismen (molekulares Klonen und Transgenese, PCR) sowie Methoden zur Bestimmung der Nukleotidsequenz in Genen (DNA- und RNA-Sequenzierung). Auf diese Methoden wird im Folgenden näher eingegangen. Wir beginnen mit der einfachsten Grundmethode, der Elektrophorese, und gehen dann zu komplexeren Methoden über.

DNA-ELEKTROPHORESE

Es handelt sich um die grundlegende Methode der Arbeit mit DNA, die zusammen mit fast allen anderen Methoden zur Isolierung der gewünschten Moleküle und zur Analyse der Ergebnisse eingesetzt wird. Die Gelelektrophorese dient der Längentrennung von DNA-Fragmenten. DNA ist eine Säure, ihre Moleküle enthalten Phosphorsäurereste, die ein Proton abspalten und eine negative Ladung erhalten (Abb. 1).

Daher bewegen sich DNA-Moleküle in einem elektrischen Feld in Richtung der Anode – einer positiv geladenen Elektrode. Dies geschieht in einer Elektrolytlösung, die Ladungsträgerionen enthält, wodurch diese Lösung Strom leitet. Zur Trennung der Fragmente wird ein dichtes Gel aus Polymeren (Agarose oder Polyacrylamid) verwendet. DNA-Moleküle „verwickeln“ sich darin umso mehr, je länger sie sind, und daher bewegen sich die längsten Moleküle am langsamsten und die kürzesten am schnellsten (Abb. 2). Vor oder nach der Elektrophorese wird das Gel mit Farbstoffen behandelt, die an DNA binden und im ultravioletten Licht fluoreszieren, wodurch ein Bandenmuster im Gel erhalten wird (siehe Abb. 3). Um die Länge von DNA-Fragmenten in einer Probe zu bestimmen, werden sie mit einem Marker verglichen, d. h. einem Satz von Fragmenten mit Standardlängen, die parallel auf demselben Gel abgelagert sind (Abb. 4).

Die wichtigsten Werkzeuge für die Arbeit mit DNA sind Enzyme, die DNA-Transformationen in lebenden Zellen durchführen: DNA-Polymerasen, DNA-Ligasen und Restriktionsendonukleasen bzw. Restriktionsenzyme. DNA-Polymerase Es wird eine DNA-Templatsynthese durchgeführt, die die Vermehrung von DNA im Reagenzglas ermöglicht. DNA-Ligasen DNA-Moleküle zusammennähen oder Lücken darin heilen. Restriktionsendonukleasen, oder Einschränkungen, DNA-Moleküle nach streng definierten Sequenzen schneiden, wodurch Sie einzelne Fragmente aus der gesamten DNA-Masse herausschneiden können. Diese Fragmente können in einigen Fällen einzelne Gene enthalten.

Einschränkungen

Von Restriktionsenzymen erkannte Sequenzen sind symmetrisch und Brüche können in der Mitte einer solchen Sequenz oder mit einer Verschiebung (an derselben Stelle in beiden DNA-Strängen) auftreten. Aktionsschema verschiedene Typen Restriktase ist in Abb. dargestellt. 1. Im ersten Fall erhält man sogenannte „stumpfe“ Enden, im zweiten Fall „klebrige“ Enden. Bei „klebrigen“ Enden der Unterseite ist die Kette kürzer als die anderen, es entsteht ein einzelsträngiger Abschnitt mit einer symmetrischen Abfolge, die an beiden Enden gleich ist.

Die Endsequenzen sind dieselben, wenn eine DNA mit einem bestimmten Restriktionsenzym gespalten wird, und können wieder zusammengefügt werden, da sie komplementäre Sequenzen haben. Sie können mit DNA-Ligase zu einem einzelnen Molekül ligiert werden. Somit ist es möglich, Fragmente zweier unterschiedlicher DNA zu kombinieren und das sogenannte zu erhalten rekombinante DNA. Dieser Ansatz wird bei der Methode des molekularen Klonens verwendet, die es ermöglicht, einzelne Gene zu gewinnen und sie in Zellen einzuführen, die das im Gen kodierte Protein bilden können.

molekulares Klonen

Beim molekularen Klonen werden zwei DNA-Moleküle verwendet – ein Insert, das das gewünschte Gen enthält, und Vektor- DNA fungiert als Träger. Das Insert wird mit Hilfe von Enzymen in den Vektor „eingenäht“, wodurch ein neues, rekombinantes DNA-Molekül entsteht, dieses Molekül dann in Wirtszellen eingeschleust wird und diese Zellen Kolonien auf einem Nährmedium bilden. Eine Kolonie ist ein Nachkomme einer Zelle, also ein Klon, alle Zellen der Kolonie sind genetisch identisch und enthalten die gleiche rekombinante DNA. Daher der Begriff „molekulares Klonen“, also die Gewinnung eines Klons von Zellen, die ein für uns interessantes DNA-Fragment enthalten. Nachdem die Kolonien gewonnen wurden, die das für uns interessante Insert enthalten, ist es möglich, dieses Insert mit verschiedenen Methoden zu charakterisieren, beispielsweise um seine genaue Sequenz zu bestimmen. Die Zellen können das durch das Insert kodierte Protein auch produzieren, wenn es ein funktionsfähiges Gen enthält.

Wenn ein rekombinantes Molekül in Zellen eingeführt wird, kommt es zur genetischen Transformation dieser Zellen. Transformation- der Prozess der Aufnahme eines freien DNA-Moleküls aus der Umgebung durch eine Zelle eines Organismus und seine Integration in das Genom, was zum Auftreten neuer erblicher Merkmale in einer solchen Zelle führt, die für den Organismus-Spender von DNA charakteristisch sind . Wenn das eingefügte Molekül beispielsweise ein Resistenzgen gegen das Antibiotikum Ampicillin enthält, wachsen die transformierten Bakterien in dessen Gegenwart. Vor der Transformation verursachte Ampicillin ihren Tod, das heißt, in den transformierten Zellen erscheint ein neues Zeichen.

VEKTOREN

Ein Vektor muss eine Reihe von Eigenschaften haben:

Erstens handelt es sich um ein relativ kleines DNA-Molekül, das leicht manipuliert werden kann.

Zweitens muss die DNA, damit sie in einer Zelle erhalten und reproduziert werden kann, eine bestimmte Sequenz enthalten, die ihre Replikation gewährleistet (den Replikationsursprung oder Replikationsursprung).

Drittens muss es enthalten Markergen, wodurch sichergestellt wird, dass nur die Zellen ausgewählt werden, in die der Vektor eingedrungen ist. In der Regel handelt es sich dabei um Antibiotikaresistenzgene – in Gegenwart eines Antibiotikums sterben dann alle Zellen ab, die den Vektor nicht enthalten.

Das Klonen von Genen wird am häufigsten in Bakterienzellen durchgeführt, da diese leicht zu kultivieren sind und sich schnell vermehren. In einer Bakterienzelle gibt es normalerweise ein großes zirkuläres DNA-Molekül mit einer Länge von mehreren Millionen Basenpaaren, das alle für Bakterien notwendigen Gene enthält – das Bakterienchromosom. Darüber hinaus gibt es in einigen Bakterien kleine (mehrere tausend Basenpaare) zirkuläre DNA, sogenannte Plasmide(Abb. 2). Sie enthalten wie die Haupt-DNA eine Nukleotidsequenz, die der DNA die Replikationsfähigkeit verleiht (ori). Plasmide replizieren unabhängig von der Haupt-DNA (chromosomal) und liegen daher in einer großen Anzahl von Kopien in der Zelle vor. Viele dieser Plasmide tragen Antibiotikaresistenzgene, was es ermöglicht, Zellen, die das Plasmid tragen, von normalen Zellen zu unterscheiden. Häufiger werden Plasmide verwendet, die zwei Gene tragen, die eine Resistenz gegen zwei Antibiotika wie Tetracyclin und Amycilin verleihen. Existieren einfache Methoden Isolierung einer solchen Plasmid-DNA, die frei von der DNA des Hauptchromosoms des Bakteriums ist.

DIE BEDEUTUNG DER TRANSGENESE

Als Übertragung von Genen von einem Organismus auf einen anderen bezeichnet man Transgenese und solche veränderten Organismen - transgen. Die Methode des Gentransfers in mikrobielle Zellen wird verwendet, um rekombinante Proteinpräparate für die Medizin zu gewinnen, insbesondere menschliche Proteine, die keine Immunabstoßung hervorrufen – Interferone, Insulin und andere Proteinhormone, Zellwachstumsfaktoren sowie Proteine ​​zur Herstellung von Impfungen. In mehr schwierige Fälle Wenn Proteine ​​nur in eukaryontischen Zellen korrekt verändert werden, werden transgene Zellkulturen oder transgene Tiere verwendet, insbesondere Nutztiere (hauptsächlich Ziegen), die die notwendigen Proteine ​​in die Milch absondern, oder Proteine ​​werden aus ihrem Blut isoliert. So werden Antikörper, Blutgerinnungsfaktoren und andere Proteine ​​gewonnen. Durch die Methode der Transgenese werden Kulturpflanzen gewonnen, die gegen Herbizide und Schädlinge resistent sind und über andere Eigenschaften verfügen nützliche Eigenschaften. Durch den Einsatz transgener Mikroorganismen zur Abwasserreinigung und Bekämpfung der Umweltverschmutzung gibt es sogar transgene Mikroben, die Öl abbauen können. Darüber hinaus sind transgene Technologien unverzichtbar wissenschaftliche Forschung- Die Entwicklung der Biologie ist heute ohne den routinemäßigen Einsatz von Methoden der Modifikation und des Gentransfers undenkbar.

molekulare Klonierungstechnologie

Einsätze

Um ein einzelnes Gen aus einem beliebigen Organismus zu erhalten, wird die gesamte chromosomale DNA daraus isoliert und mit einem oder zwei Restriktionsenzymen gespalten. Enzyme werden so ausgewählt, dass sie das für uns interessante Gen nicht schneiden, sondern Brüche entlang seiner Ränder machen und in der Plasmid-DNA einen Bruch in einem der Resistenzgene, beispielsweise gegen Ampicillin, bewirken.

Der molekulare Klonierungsprozess umfasst die folgenden Schritte:

Cut and Stitch – Konstruktion eines einzelnen rekombinanten Moleküls aus einem Insert und einem Vektor.

Unter Transformation versteht man die Einführung eines rekombinanten Moleküls in Zellen.

Auswahl – Auswahl von Zellen, die einen Vektor mit einer Einfügung erhalten haben.

Schneiden und Nähen

Plasmid-DNA wird mit denselben Restriktionsenzymen behandelt und verwandelt sich in ein lineares Molekül, wenn ein solches Restriktionsenzym ausgewählt wird, das einen Bruch in das Plasmid einführt. Infolgedessen erscheinen an den Enden aller resultierenden DNA-Fragmente die gleichen klebrigen Enden. Wenn die Temperatur gesenkt wird, verbinden sich diese Enden zufällig und werden mit DNA-Ligase ligiert (siehe Abb. 3).

Man erhält eine Mischung aus zirkulären DNAs unterschiedlicher Zusammensetzung: Einige von ihnen enthalten eine bestimmte DNA-Sequenz chromosomaler DNA, die mit bakterieller DNA verbunden ist, andere enthalten miteinander verbundene Fragmente chromosomaler DNA und wieder andere enthalten ein reduziertes zirkuläres Plasmid oder sein Dimer (Abb. 4).

Transformation

Als nächstes wird diese Mischung durchgeführt genetische Transformation Bakterien, die keine Plasmide enthalten. Transformation- der Prozess der Aufnahme eines freien DNA-Moleküls aus der Umgebung durch eine Zelle eines Organismus und seine Integration in das Genom, was zum Auftreten neuer erblicher Merkmale in einer solchen Zelle führt, die für den Organismus-Spender von DNA charakteristisch sind . In jede Zelle kann nur ein Plasmid eindringen und sich dort vermehren. Solche Zellen werden auf ein festes Nährmedium gelegt, das das Antibiotikum Tetracyclin enthält. Zellen, die das Plasmid nicht erhalten haben, wachsen auf diesem Medium nicht, und die Zellen, die das Plasmid tragen, bilden Kolonien, von denen jede die Nachkommen nur einer Zelle enthält, d. h. Alle Zellen einer Kolonie tragen das gleiche Plasmid (siehe Abb. 5).

Auswahl

Als nächstes besteht die Aufgabe darin, nur die Zellen zu isolieren, in die der Vektor mit dem Insert eingedrungen ist, und sie von Zellen zu unterscheiden, die nur den Vektor ohne das Insert oder überhaupt keinen Vektor tragen. Dieser Vorgang der Auswahl der richtigen Zellen wird aufgerufen Auswahl. Bewerben Sie sich hierfür selektive Marker- normalerweise Antibiotikaresistenzgene im Vektor, und selektive Medien Antibiotika oder andere selektive Substanzen enthalten.

In dem von uns betrachteten Beispiel werden Zellen aus Kolonien, die in Gegenwart von Ampicillin gezüchtet wurden, auf zwei Medien subkultiviert: Das erste enthält Ampicillin und das zweite enthält Tetracyclin. Kolonien, die nur das Plasmid enthalten, wachsen auf beiden Medien, während Kolonien, die in die Plasmide eingefügte chromosomale DNA enthalten, nicht auf dem Medium mit Tetracyclin wachsen (Abb. 5). Unter ihnen werden diejenigen, die das für uns interessante Gen enthalten, mit speziellen Methoden ausgewählt, in ausreichenden Mengen gezüchtet und Plasmid-DNA isoliert. Daraus wird mit denselben Restriktasen, die zur Gewinnung rekombinanter DNA verwendet wurden, das einzelne Gen von Interesse herausgeschnitten. Die DNA dieses Gens kann verwendet werden, um die Sequenz von Nukleotiden zu bestimmen, sie in jeden Organismus einzuführen, um neue Eigenschaften zu erhalten, oder um das gewünschte Protein zu synthetisieren. Diese Methode der Genisolierung wird genannt molekulares Klonen.

Fluoreszierende Proteine

Es ist sehr praktisch, fluoreszierende Proteine ​​als Markergene in Studien an eukaryotischen Organismen zu verwenden. Das Gen für das erste fluoreszierende Protein, grün fluoreszierendes Protein (GFP) wurde aus der Qualle Aqeuorea victoria isoliert und in verschiedene Modellorganismen eingeführt (siehe Abb. 6). 2008 erhielten O. Shimomura, M. Chalfi und R. Tsien den Nobelpreis für die Entdeckung und Anwendung dieses Proteins.

Dann wurden die Gene für andere fluoreszierende Proteine ​​– rot, blau, gelb – isoliert. Diese Gene wurden künstlich verändert, um Proteine ​​mit den gewünschten Eigenschaften zu produzieren. Die Vielfalt fluoreszierender Proteine ​​ist in Abb. dargestellt. 7 zeigt eine Petrischale mit Bakterien, die Gene für verschiedene fluoreszierende Proteine ​​enthalten.

Anwendung fluoreszierender Proteine

Das Gen des fluoreszierenden Proteins kann mit dem Gen eines anderen Proteins fusioniert werden, dann wird während der Translation ein einzelnes Protein gebildet – ein translatorisches Fusionsprotein oder Verschmelzung(Fusionsprotein), das fluoresziert. So ist es beispielsweise möglich, die Lokalisierung (Ort) beliebiger Proteine ​​in der Zelle und deren Bewegung zu untersuchen. Durch die Expression fluoreszierender Proteine ​​nur in bestimmten Zelltypen ist es möglich, Zellen dieser Art in einem vielzelligen Organismus zu markieren (siehe Abb. 8 – Mäusegehirn, in dem einzelne Neuronen aufgrund einer bestimmten Kombination fluoreszierender Proteine ​​unterschiedliche Farben haben). Gene). Fluoreszierende Proteine ​​sind ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen Molekularbiologie.

PCR

Eine andere Methode zur Gewinnung von Genen heißt Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Es basiert auf der Fähigkeit von DNA-Polymerasen, den zweiten DNA-Strang entlang des Komplementärstrangs zu vervollständigen, wie es in Zellen bei der DNA-Replikation geschieht.

Die Replikationsursprünge bei dieser Methode werden durch zwei kleine DNA-Stücke genannt Samen, oder Grundierungen. Diese Primer sind komplementär zu den Enden des interessierenden Gens auf zwei DNA-Strängen. Zunächst wird die chromosomale DNA, aus der das Gen isoliert werden soll, mit Samen vermischt und auf 99 °C erhitzt. Dies führt zum Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen und zur Divergenz von DNA-Strängen. Danach wird die Temperatur auf 50–70 °C gesenkt (je nach Länge und Reihenfolge der Samen). Unter diesen Bedingungen werden die Primer an komplementäre Bereiche der chromosomalen DNA gebunden und bilden eine regelmäßige Doppelhelix (siehe Abb. 9). Danach wird eine Mischung aller vier für die DNA-Synthese und DNA-Polymerase benötigten Nukleotide hinzugefügt. Das Enzym verlängert die Primer, indem es vom Bindungspunkt der Primer an doppelsträngige DNA aufbaut, d. h. von den Enden eines Gens bis zum Ende eines einzelsträngigen Chromosomenmoleküls.

Wird die Mischung nun erneut erhitzt, lösen sich die chromosomalen und neu synthetisierten Ketten auf. Nach dem Abkühlen gesellen sich wieder Samen dazu, die in großem Überschuss aufgenommen werden (siehe Abb. 10).

Auf den neu synthetisierten Ketten verbinden sie sich nicht mit dem Ende, von dem aus die erste Synthese begann, sondern mit dem gegenüberliegenden Ende, da die DNA-Ketten antiparallel sind. Daher wird im zweiten Synthesezyklus nur die dem Gen entsprechende Sequenz auf solchen Ketten vervollständigt (siehe Abb. 11).

IN diese Methode Wird eine DNA-Polymerase aus thermophilen Bakterien verwendet, die dem Kochen standhält und bei Temperaturen von 70–80 °C arbeitet, muss diese nicht jedes Mal hinzugefügt werden, sondern es reicht aus, sie zu Beginn des Experiments zuzugeben. Indem wir die Heiz- und Kühlvorgänge in derselben Reihenfolge wiederholen, können wir die Anzahl der Sequenzen in jedem Zyklus verdoppeln, die an beiden Enden durch die eingeführten Keime begrenzt sind (siehe Abb. 12).

Nach etwa 25 solchen Zyklen erhöht sich die Kopienzahl des Gens um mehr als eine Million Mal. Solche Mengen können leicht von der in das Reagenzglas eingebrachten chromosomalen DNA abgetrennt und für verschiedene Zwecke verwendet werden.

DNA-Sequenzierung

Eine weitere wichtige Errungenschaft ist die Entwicklung von Methoden zur Bestimmung der Nukleotidsequenz in der DNA – DNA-Sequenzierung(aus der englischen Sequenz - Sequenz). Dazu ist es notwendig, mit einer der beschriebenen Methoden Gene aus anderer DNA rein zu gewinnen. Anschließend werden die DNA-Ketten durch Erhitzen getrennt und mit einem mit radioaktivem Phosphor oder einer Fluoreszenzmarkierung markierten Primer versehen. Bitte beachten Sie, dass ein Samen genommen wird, der zu einer Kette komplementär ist. Dann werden DNA-Polymerase und eine Mischung aus 4 Nukleotiden hinzugefügt. Eine solche Mischung wird in 4 Teile geteilt und jedem wird eines der Nukleotide hinzugefügt, das so modifiziert ist, dass es keine Hydroxylgruppe am dritten Atom der Desoxyribose enthält. Wenn ein solches Nukleotid in die synthetisierte DNA-Kette einbezogen wird, kann seine Verlängerung nicht fortgesetzt werden, weil Die Polymerase hat keine Möglichkeit, das nächste Nukleotid anzuhängen. Daher wird die DNA-Synthese nach dem Einbau eines solchen Nukleotids unterbrochen. Diese Nukleotide, Didesoxynukleotide genannt, werden viel weniger als üblich hinzugefügt, sodass der Kettenabbruch nur gelegentlich und in jeder Kette an unterschiedlichen Stellen erfolgt. Das Ergebnis ist eine Mischung aus Ketten unterschiedlicher Länge mit jeweils demselben Nukleotid am Ende. Somit entspricht die Kettenlänge der Nukleotidzahl in der untersuchten Sequenz. Wenn wir beispielsweise ein Adenyldidesoxynukleotid hätten und die resultierenden Ketten 2, 7 und 12 Nukleotide lang wären, dann befand sich Adenin an der zweiten, siebten und zwölften Position das Gen. Das resultierende Kettengemisch kann mittels Elektrophorese leicht nach Größe getrennt werden und die synthetisierten Ketten können durch Radioaktivität auf einem Röntgenfilm identifiziert werden (siehe Abb. 10).

Es stellt sich das am unteren Bildrand gezeigte Bild heraus, das als Radioautogramm bezeichnet wird. Wenn wir von unten nach oben entlanggehen und den Buchstaben über den Spalten jeder Zone lesen, erhalten wir die in der Abbildung rechts neben dem Autogramm gezeigte Nukleotidsequenz. Es stellte sich heraus, dass die Synthese nicht nur durch Didesoxynukleotide gestoppt wird, sondern auch durch Nukleotide, bei denen an der dritten Position des Zuckers eine chemische Gruppe, beispielsweise ein Fluoreszenzfarbstoff, angebracht ist. Wenn jedes Nukleotid mit einem eigenen Farbstoff markiert ist, leuchten die Zonen, die durch die Trennung der synthetisierten Ketten entstehen, in einem anderen Licht. Dies ermöglicht es, die Reaktion in einem Reagenzglas gleichzeitig für alle Nukleotide durchzuführen und durch die Trennung der resultierenden Ketten nach Länge die Nukleotide anhand ihrer Farbe zu identifizieren (siehe Abb. 11).

Solche Methoden ermöglichten es, nicht nur die Sequenzen einzelner Gene zu bestimmen, sondern auch ganze Genome abzulesen. Mittlerweile wurden noch schnellere Methoden zur Bestimmung von Nukleotidsequenzen in Genen entwickelt. Wenn das erste menschliche Genom von einem großen internationalen Konsortium mit der ersten angegebenen Methode in 12 Jahren entschlüsselt wurde, das zweite mit der zweiten in drei Jahren, kann dies jetzt in einem Monat erfolgen. Auf diese Weise können Sie die Veranlagung einer Person für viele Krankheiten vorhersagen und im Voraus Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen.

Molekularbiologie

eine Wissenschaft, deren Aufgabe es ist, die Natur von Lebensphänomenen zu kennen, indem sie biologische Objekte und Systeme auf einer Ebene untersucht, die sich der molekularen Ebene nähert und in einigen Fällen diese Grenze erreicht. Das ultimative Ziel besteht hierbei darin, zu klären, wie und in welchem ​​Umfang die charakteristischen Erscheinungsformen des Lebens, wie Vererbung, Fortpflanzung der eigenen Art, Proteinbiosynthese, Erregbarkeit, Wachstum und Entwicklung, Speicherung und Übertragung von Informationen, Energieumwandlungen, Mobilität, usw. sind auf die Struktur, Eigenschaften und Wechselwirkung von Molekülen biologisch wichtiger Substanzen zurückzuführen, vor allem auf die beiden Hauptklassen von Biopolymeren mit hohem Molekulargewicht (siehe Biopolymere). - Proteine ​​und Nukleinsäuren. Eine Besonderheit von M. b. - das Studium der Lebensphänomene an unbelebten Objekten oder solchen, die durch die primitivsten Erscheinungsformen des Lebens gekennzeichnet sind. Dies sind biologische Gebilde ab der zellulären Ebene und darunter: subzelluläre Organellen, wie isolierte Zellkerne, Mitochondrien, Ribosomen, Chromosomen, Zellmembranen; weiter - Systeme, die an der Grenze zwischen belebter und unbelebter Natur stehen - Viren, einschließlich Bakteriophagen, und endend mit den Molekülen der wichtigsten Bestandteile lebender Materie - Nukleinsäuren (siehe Nukleinsäuren) und Proteine ​​(siehe Proteine).

M. b. - ein neues Gebiet der Naturwissenschaften, das eng mit seit langem etablierten Forschungsgebieten verbunden ist, die von der Biochemie (siehe Biochemie), der Biophysik (siehe Biophysik) und der bioorganischen Chemie (siehe Bioorganische Chemie) abgedeckt werden. Die Unterscheidung ist hier nur unter Berücksichtigung der verwendeten Methoden und der grundsätzlichen Natur der verwendeten Ansätze möglich.

Den Grundstein für die Entwicklung von M. legten Wissenschaften wie Genetik, Biochemie, Physiologie elementarer Prozesse usw. Nach den Ursprüngen seiner Entwicklung war M. b. untrennbar mit der Molekulargenetik verbunden (siehe Molekulargenetik) , die nach wie vor einen wichtigen Teil des M. Banking ausmacht, obwohl sie sich bereits weitgehend zu einer eigenständigen Disziplin entwickelt hat. M.s Isolation. aus der Biochemie wird durch die folgenden Überlegungen bestimmt. Die Aufgaben der Biochemie beschränken sich im Wesentlichen darauf, die Beteiligung bestimmter chemischer Stoffe an bestimmten biologischen Funktionen und Prozessen festzustellen und die Art ihrer Umwandlungen aufzuklären; Die führende Rolle spielen Informationen über die Reaktivität und über die Hauptmerkmale der chemischen Struktur, ausgedrückt durch das Übliche chemische Formel. Somit liegt der Schwerpunkt im Wesentlichen auf Transformationen, an denen hauptvalente chemische Bindungen beteiligt sind. Inzwischen, wie L. Pauling betonte , In biologischen Systemen und Manifestationen lebenswichtiger Aktivität sollte die Hauptbedeutung nicht auf hauptvalente Bindungen gelegt werden, die innerhalb desselben Moleküls wirken, sondern auf verschiedene Arten von Bindungen, die intermolekulare Wechselwirkungen bestimmen (elektrostatische Bindungen, Van-der-Waals-Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen usw.). .

Das Endergebnis einer biochemischen Studie kann in Form eines Systems chemischer Gleichungen dargestellt werden, das normalerweise vollständig durch deren Darstellung in einer Ebene, also in zwei Dimensionen, erschöpft ist. Eine Besonderheit von M. b. ist seine Dreidimensionalität. Die Essenz von M. b. M. Perutz sieht es darin, biologische Funktionen anhand der molekularen Struktur zu interpretieren. Wir können sagen, dass, wenn früher bei der Untersuchung biologischer Objekte die Frage „Was“, also welche Stoffe vorhanden sind, und die Frage „Wo“ – in welchen Geweben und Organen – beantwortet werden musste, dann M. b. macht es sich zur Aufgabe, Antworten auf die Frage „Wie“ zu erhalten, nachdem er das Wesen der Rolle und Beteiligung der gesamten Struktur des Moleküls kennengelernt hat, und auf die Fragen „Warum“ und „Wofür“, nachdem er herausgefunden hat, auf Einerseits die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften des Moleküls (wiederum vor allem Proteine ​​und Nukleinsäuren) und den von ihm ausgeübten Funktionen und andererseits die Rolle solcher Einzelfunktionen im Gesamtkomplex der Manifestationen lebenswichtiger Aktivität.

Die gegenseitige Anordnung der Atome und ihre Gruppierungen in der Gesamtstruktur des Makromoleküls sowie ihre räumlichen Beziehungen spielen eine entscheidende Rolle. Dies gilt sowohl für einzelne Einzelkomponenten als auch für die Gesamtkonfiguration des Moleküls als Ganzes. Durch die Entstehung einer streng definierten volumetrischen Struktur erhalten Biopolymermoleküle jene Eigenschaften, aufgrund derer sie als materielle Grundlage biologischer Funktionen dienen können. Dieses Prinzip der Herangehensweise an das Studium des Lebendigen ist das charakteristischste und typischste Merkmal von M. b.

Historische Referenz. Tolles Preis-Leistungs-Verhältnis Das Studium biologischer Probleme auf molekularer Ebene wurde von I. P. Pavlov vorgesehen , der über den letzten Schritt in der Wissenschaft des Lebens sprach – die Physiologie des lebenden Moleküls. Der Begriff „M. B." wurde erstmals auf Englisch verwendet. Wissenschaftler W. Astbury in der Anwendung auf Forschung im Zusammenhang mit der Aufklärung der Beziehung zwischen der molekularen Struktur und den physikalischen und biologischen Eigenschaften von fibrillären (faserigen) Proteinen wie Kollagen, Blutfibrin oder kontraktilen Muskelproteinen. Der Begriff „M. B." Stahl seit den frühen 1950er Jahren. 20. Jahrhundert

M.s Entstehung. Als ausgereifte Wissenschaft wird üblicherweise auf das Jahr 1953 verwiesen, als J. Watson und F. Crick in Cambridge (Großbritannien) die dreidimensionale Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA) entdeckten. Dies ermöglichte es, darüber zu sprechen, wie die Details dieser Struktur die biologischen Funktionen der DNA als materieller Träger erblicher Informationen bestimmen. Im Prinzip wurde diese Rolle der DNA etwas früher (1944) durch die Arbeit des amerikanischen Genetikers O. T. Avery und Mitarbeiter bekannt (siehe Molekulargenetik), es war jedoch nicht bekannt, inwieweit diese Funktion von der molekularen Struktur abhängt DNA. Dies wurde erst möglich, nachdem die Laboratorien von W. L. Bragg, J. Bernal und anderen neue Prinzipien der Röntgenbeugungsanalyse entwickelt hatten, die den Einsatz dieser Methode für eine detaillierte Kenntnis der räumlichen Struktur von Proteinmakromolekülen und Nukleinsäuren ermöglichten.

Ebenen der molekularen Organisation. 1957 etablierte J. Kendrew die dreidimensionale Struktur von Myoglobin a , und in den folgenden Jahren wurde dies von M. Perutz in Bezug auf Hämoglobin a durchgeführt. Es wurden Ideen über verschiedene Ebenen der räumlichen Organisation von Makromolekülen formuliert. Die Primärstruktur ist die Abfolge einzelner Einheiten (Monomere) in der Kette des resultierenden Polymermoleküls. Bei Proteinen sind die Monomere Aminosäuren. , für Nukleinsäuren - Nukleotide. Ein lineares, fadenförmiges Molekül eines Biopolymers hat aufgrund des Auftretens von Wasserstoffbrückenbindungen die Fähigkeit, sich auf eine bestimmte Weise in den Raum einzufügen, beispielsweise bei Proteinen, wie L. Pauling gezeigt hat die Form einer Spirale. Dies wird als Sekundärstruktur bezeichnet. Von einer Tertiärstruktur spricht man, wenn sich ein Molekül mit einer Sekundärstruktur auf die eine oder andere Weise weiter faltet und so den dreidimensionalen Raum ausfüllt. Schließlich können Moleküle mit einer dreidimensionalen Struktur in Wechselwirkung treten, sich regelmäßig im Raum relativ zueinander anordnen und eine sogenannte Quartärstruktur bilden; seine einzelnen Bestandteile werden allgemein als Untereinheiten bezeichnet.

Das offensichtlichste Beispiel dafür, wie eine molekulare dreidimensionale Struktur die biologischen Funktionen eines Moleküls bestimmt, ist die DNA. Sie hat den Aufbau einer Doppelhelix: Zwei gegenläufig (antiparallel) verlaufende Fäden sind umeinander verdreht und bilden eine Doppelhelix mit zueinander komplementärer Anordnung der Basen, d. h. so, dass sie an einer bestimmten Basis einer Kette anliegen ist immer die Base, die am besten für die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen sorgt: Adepine (A) paart sich mit Thymin (T), Guanin (G) mit Cytosin (C). Eine solche Struktur schafft optimale Bedingungen für die wichtigsten biologischen Funktionen der DNA: die quantitative Vervielfachung der Erbinformation im Prozess der Zellteilung unter Beibehaltung der qualitativen Invarianz dieses Flusses genetischer Information. Wenn sich eine Zelle teilt, entwinden sich die Stränge der DNA-Doppelhelix, die als Vorlage oder Vorlage dient, und auf jedem von ihnen wird unter der Wirkung von Enzymen ein komplementärer neuer Strang synthetisiert. Dadurch entstehen aus einem übergeordneten DNA-Molekül zwei völlig identische Tochtermoleküle (siehe Zelle, Mitose).

Ebenso stellte sich im Fall von Hämoglobin heraus, dass seine biologische Funktion – die Fähigkeit, Sauerstoff in der Lunge reversibel zu binden und ihn dann an Gewebe abzugeben – eng mit den Merkmalen der dreidimensionalen Struktur von Hämoglobin und seinen Veränderungen zusammenhängt der Prozess der Umsetzung seiner physiologischen Rolle. Bei der Bindung und Dissoziation von O 2 kommt es zu räumlichen Konformationsänderungen des Hämoglobinmoleküls, die zu einer Änderung der Affinität der darin enthaltenen Eisenatome zu Sauerstoff führen. Veränderungen in der Größe des Hämoglobinmoleküls, die Volumenänderungen ähneln Brust Beim Atmen darf Hämoglobin als „molekulare Lunge“ bezeichnet werden.

Eine der wichtigsten Eigenschaften lebender Objekte ist ihre Fähigkeit, alle Manifestationen lebenswichtiger Aktivität fein zu regulieren. Der wichtigste Beitrag von M. Wissenschaftliche Entdeckungen sollten als Entdeckung eines neuen, bisher unbekannten Regulationsmechanismus angesehen werden, der als allosterischer Effekt bezeichnet wird. Es liegt in der Fähigkeit von Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht – den sogenannten. Liganden – um die spezifischen biologischen Funktionen von Makromolekülen zu modifizieren, vor allem katalytisch wirkende Proteine ​​– Enzyme, Hämoglobin, Rezeptorproteine, die am Aufbau biologischer Membranen (siehe Biologische Membranen), an der synaptischen Übertragung (siehe Synapsen) usw. beteiligt sind.

Drei biotische Ströme. Im Lichte der Ideen von M. Die Gesamtheit der Phänomene des Lebens kann als Ergebnis einer Kombination dreier Ströme betrachtet werden: dem Fluss der Materie, der seinen Ausdruck in den Phänomenen des Stoffwechsels, also der Assimilation und Dissimilation, findet; der Energiefluss, der die treibende Kraft für alle Erscheinungsformen des Lebens ist; und der Informationsfluss, der nicht nur die gesamte Vielfalt der Entwicklungs- und Existenzprozesse jedes Organismus durchdringt, sondern auch eine kontinuierliche Reihe aufeinanderfolgender Generationen. Es ist die Idee des Informationsflusses, der durch die Entwicklung von Biomaterialien in die Lehre der lebenden Welt eingeführt wurde und darin ihre eigene spezifische, einzigartige Prägung hinterlässt.

Die wichtigsten Errungenschaften der Molekularbiologie. Schnelligkeit, Umfang und Tiefe des Einflusses von M. Fortschritte beim Verständnis der grundlegenden Probleme der Erforschung der belebten Natur werden beispielsweise zu Recht mit dem Einfluss der Quantentheorie auf die Entwicklung der Atomphysik verglichen. Zwei untrennbar miteinander verbundene Bedingungen bestimmten diese revolutionäre Wirkung. Eine entscheidende Rolle spielte einerseits die Entdeckung der Möglichkeit, die wichtigsten Erscheinungsformen des Lebens unter einfachsten Bedingungen zu untersuchen, die sich der Art chemischer und physikalischer Experimente nähern. Andererseits kam es infolge dieses Umstandes zu einer raschen Einbeziehung einer erheblichen Zahl von Vertretern exakte Wissenschaften- Physiker, Chemiker, Kristallographen und dann Mathematiker - bei der Entwicklung biologischer Probleme. In ihrer Gesamtheit bestimmten diese Umstände das ungewöhnlich schnelle Entwicklungstempo von M. b., die Zahl und Bedeutung seiner Erfolge, die in nur zwei Jahrzehnten erreicht wurden. Hier ist eine bei weitem nicht vollständige Liste dieser Errungenschaften: Offenlegung der Struktur und des Mechanismus der biologischen Funktion von DNA, allen Arten von RNA und Ribosomen (siehe Ribosomen) , Offenlegung des genetischen Codes (siehe genetischer Code) ; Entdeckung der Reverse Transkription (siehe Transkription) , d. h. DNA-Synthese auf einer RNA-Matrize; Untersuchung der Funktionsmechanismen von Atemwegspigmenten; Entdeckung einer dreidimensionalen Struktur und ihrer funktionellen Rolle bei der Wirkung von Enzymen (siehe Enzyme) , das Prinzip der Matrixsynthese und Mechanismen der Proteinbiosynthese; Offenlegung der Struktur von Viren (siehe Viren) und der Mechanismen ihrer Replikation, der primären und teilweise der räumlichen Struktur von Antikörpern; Isolierung einzelner Gene , chemische und dann biologische (enzymatische) Gensynthese, auch beim Menschen, außerhalb der Zelle (in vitro); Übertragung von Genen von einem Organismus auf einen anderen, auch in menschliche Zellen; die rasch voranschreitende Entschlüsselung der chemischen Struktur einer zunehmenden Zahl einzelner Proteine, vor allem Enzyme, sowie Nukleinsäuren; Entdeckung der Phänomene der „Selbstorganisation“ einiger biologischer Objekte von immer größerer Komplexität, angefangen bei Nukleinsäuremolekülen bis hin zu Mehrkomponentenenzymen, Viren, Ribosomen usw.; Aufklärung allosterischer und anderer Grundprinzipien der Regulierung biologischer Funktionen und Prozesse.

Reduktionismus und Integration. M. b. ist die letzte Stufe dieser Richtung in der Erforschung lebender Objekte, die als „Reduktionismus“ bezeichnet wird, d. h. der Wunsch, komplexe Lebensfunktionen auf Phänomene zu reduzieren, die auf molekularer Ebene auftreten und daher für das Studium mit den Methoden der Physik und Chemie zugänglich sind . Erreicht M. b. Erfolge zeugen von der Wirksamkeit dieses Ansatzes. Dabei muss berücksichtigt werden, dass wir es unter natürlichen Bedingungen in einer Zelle, einem Gewebe, einem Organ und dem gesamten Organismus mit Systemen zunehmender Komplexität zu tun haben. Solche Systeme entstehen aus untergeordneten Komponenten durch deren regelmäßige Integration zu Ganzen, erhalten eine strukturelle und funktionale Organisation und besitzen neue Eigenschaften. Da das Wissen über Muster, die auf molekularer und angrenzender Ebene offengelegt werden können, detailliert ist, hat M. b. Es stellt sich die Aufgabe, die Mechanismen der Integration als Weiterentwicklungslinie in der Erforschung der Lebensphänomene zu verstehen. Ausgangspunkt ist hier die Untersuchung der Kräfte intermolekularer Wechselwirkungen – Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte usw. Durch ihre Kombination und räumliche Anordnung bilden sie das, was man als „integrative Information“ bezeichnen kann. Es sollte als einer der Hauptbestandteile des bereits erwähnten Informationsflusses betrachtet werden. In M.s Gegend. Beispiele für Integration können die Phänomene der Selbstorganisation komplexer Formationen aus einer Mischung ihrer sein Bestandteile. Dazu gehört beispielsweise die Bildung von Mehrkomponentenproteinen aus ihren Untereinheiten, die Bildung von Viren aus ihren Bestandteilen – Proteinen und Nukleinsäuren, die Wiederherstellung der ursprünglichen Struktur von Ribosomen nach der Trennung ihrer Protein- und Nukleinsäurebestandteile usw. Die Das Studium dieser Phänomene steht in direktem Zusammenhang mit der Kenntnis der Hauptphänomene „Erkennung“ von Biopolymermolekülen. Es geht darum herauszufinden, welche Kombinationen von Aminosäuren – in Proteinmolekülen oder Nukleotiden – in Nukleinsäuren bei der Assoziation einzelner Moleküle unter Bildung von Komplexen einer streng spezifischen, vorgegebenen Zusammensetzung und Struktur miteinander interagieren. Dazu gehören die Prozesse der Bildung komplexer Proteine ​​aus ihren Untereinheiten; weitere selektive Wechselwirkungen zwischen Nukleinsäuremolekülen, beispielsweise Transport und Matrix (in diesem Fall hat die Entdeckung des genetischen Codes unsere Informationen erheblich erweitert); Schließlich handelt es sich hierbei um die Bildung vieler Arten von Strukturen (z. B. Ribosomen, Viren, Chromosomen), an denen sowohl Proteine ​​als auch Nukleinsäuren beteiligt sind. Die Offenlegung der entsprechenden Gesetze, die Kenntnis der diesen Interaktionen zugrunde liegenden „Sprache“, ist eines der wichtigsten Gebiete der mathematischen Linguistik, das noch auf seine Entwicklung wartet. Dieser Bereich zählt zu den Grundproblemen der gesamten Biosphäre.

Probleme der Molekularbiologie. Neben den genannten wichtigen Aufgaben würde M. (Kenntnis der Gesetze der „Erkennung“, Selbstorganisation und Integration) Die eigentliche Richtung der wissenschaftlichen Suche für die nahe Zukunft ist die Entwicklung von Methoden, die es ermöglichen, die Struktur und dann die dreidimensionale, räumliche Organisation hochmolekularer Stoffe zu entschlüsseln Nukleinsäuren. Dies gelang nun hinsichtlich des allgemeinen Plans der dreidimensionalen Struktur der DNA (Doppelhelix), jedoch ohne genaue Kenntnis ihrer Primärstruktur. Schnelle Erfolge Bei der Entwicklung analytischer Methoden lassen wir zuversichtlich davon ausgehen, dass diese Ziele in den kommenden Jahren erreicht werden. Dabei kommen die Hauptbeiträge natürlich von Vertretern verwandter Wissenschaften, vor allem der Physik und Chemie. Alle wichtigen Methoden, deren Einsatz die Entstehung und den Erfolg von M. b. sicherte, wurden von Physikern vorgeschlagen und entwickelt (Ultrazentrifugation, Röntgenbeugungsanalyse, Elektronenmikroskopie, Kernspinresonanz usw.). Fast alle neuen physikalischen Versuchsansätze (zum Beispiel der Einsatz von Computern, Synchrotron- oder Bremsstrahlung, Lasertechnik etc.) eröffnen neue Möglichkeiten für vertiefendes Studium Probleme M. b. Zu den wichtigsten Aufgaben praktischer Natur, deren Beantwortung von M. b. erwartet wird, gehört zunächst das Problem der molekularen Grundlagen bösartigen Wachstums, dann – Möglichkeiten zur Vorbeugung und vielleicht Überwindung von Erbkrankheiten – „ molekulare Krankheiten“ (siehe Molekulare Krankheiten). Sehr wichtig Es geht um die Aufklärung der molekularen Grundlagen der biologischen Katalyse, also der Wirkungsweise von Enzymen. Zu den wichtigsten modernen Richtungen von M. b. sollte den Wunsch beinhalten, die molekularen Wirkmechanismen von Hormonen zu entschlüsseln (vgl. Hormone) , toxische und medizinische Substanzen sowie die Einzelheiten der molekularen Struktur und Funktionsweise von Zellstrukturen wie biologischen Membranen herauszufinden, die an der Regulierung der Prozesse der Penetration und des Transports von Substanzen beteiligt sind. Entferntere Ziele M. b. - Kenntnisse über die Natur von Nervenprozessen, Gedächtnismechanismen (siehe Gedächtnis) usw. Einer der wichtigen neuen Abschnitte von M. b. - sogenannt. Gentechnik, deren Aufgabe es ist, den genetischen Apparat (Genom) lebender Organismen gezielt zu betreiben, angefangen bei Mikroben und niederen (einzelligen) bis hin zum Menschen (im letzteren Fall hauptsächlich zum Zweck der radikalen Behandlung von Erbkrankheiten (vgl. Erbkrankheiten) und Korrektur genetischer Defekte). Größere Eingriffe in die genetischen Grundlagen des Menschen können erst in mehr oder weniger ferner Zukunft diskutiert werden, da hier erhebliche technische und grundsätzliche Hindernisse auftreten. Bezüglich Mikroben, Pflanzen und es ist möglich, und Seite - x. Für Tiere sind solche Aussichten sehr ermutigend (z. B. der Erwerb von Kulturpflanzensorten, die über einen Apparat zur Stickstofffixierung aus der Luft verfügen und keine Düngemittel benötigen). Sie bauen auf den bereits erzielten Erfolgen auf: Gene isolieren und synthetisieren, Gene von einem Organismus auf einen anderen übertragen, anwenden Massenkulturen Zellen als Produzenten wirtschaftlich oder medizinisch wichtiger Substanzen.

Organisation der Forschung in der Molekularbiologie. Schnelle Entwicklung M. b. führte zur Entstehung einer großen Zahl spezialisierter Forschungszentren. Ihre Zahl wächst rasant. Die größten: im Vereinigten Königreich – das Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, das Royal Institute in London; in Frankreich - Institute für Molekularbiologie in Paris, Marseille, Straßburg, das Pasteur-Institut; in den USA - Abteilungen M. b. an Universitäten und Instituten in Boston (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Francisco (Berkeley), Los Angeles (California Institute of Technology), New York (Rockefeller University), Gesundheitsinstituten in Bethesda usw.; in Deutschland - Max-Planck-Institute, Universitäten in Göttingen und München; in Schweden das Karolinska-Institut in Stockholm; in der DDR - Zentralinstitut für Molekularbiologie in Berlin, Institute in Jena und Halle; in Ungarn - Biologisches Zentrum in Szeged. In der UdSSR wäre das erste spezialisierte Institut M. gewesen. wurde 1957 in Moskau im System der Akademie der Wissenschaften der UdSSR gegründet (siehe. ); dann wurden gebildet: das Institut für Bioorganische Chemie der Akademie der Wissenschaften der UdSSR in Moskau, das Proteininstitut in Puschtschino, die Biologische Abteilung am Institut für Atomenergie (Moskau) und die Abteilungen von M. b. an den Instituten der sibirischen Abteilung der Akademie der Wissenschaften in Nowosibirsk, dem Interdepartementalen Labor für Bioorganische Chemie der Moskauer Staatlichen Universität, dem Sektor (später Institut) für Molekularbiologie und Genetik der Akademie der Wissenschaften der Ukrainischen SSR in Kiew ; bedeutende Arbeit an M. b. wird am Institut für makromolekulare Verbindungen in Leningrad, in einer Reihe von Abteilungen und Labors der Akademie der Wissenschaften der UdSSR und anderen Abteilungen durchgeführt.

Neben einzelnen Forschungszentren entstanden auch Organisationen größeren Ausmaßes. In Westeuropa entstand die Europäische Organisation für M.. (EMBO), an dem mehr als 10 Länder teilnehmen. In der UdSSR wurde 1966 am Institut für Molekularbiologie ein Wissenschaftlicher Rat für M. B. gegründet, der als Koordinierungs- und Organisationszentrum auf diesem Wissensgebiet fungiert. Er veröffentlichte eine umfangreiche Reihe von Monographien zu den wichtigsten Abschnitten von M. b., es werden regelmäßig „Winterschulen“ zu M. b. organisiert, Konferenzen und Symposien zu aktuellen Problemen von M. b. abgehalten. Zukünftig würden wissenschaftliche Ratschläge zu M. erfolgen. wurden an der Akademie der Medizinischen Wissenschaften der UdSSR und vielen republikanischen Akademien der Wissenschaften gegründet. Die Zeitschrift Molecular Biology erscheint seit 1966 (6 Ausgaben pro Jahr).

Für relativ kurzfristig in der UdSSR wuchs eine bedeutende Gruppe von Forschern auf dem Gebiet M. heran; es handelt sich um Wissenschaftler der älteren Generation, die ihre Interessen teilweise von anderen Fachgebieten verlagert haben; größtenteils handelt es sich um zahlreiche Nachwuchsforscher. Unter den führenden Wissenschaftlern, die aktiv an der Entstehung und Entwicklung von M. b. beteiligt waren. in der UdSSR kann man solche nennen wie A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M.s neue Errungenschaften. und Molekulargenetik werden durch den Beschluss des Zentralkomitees der KPdSU und des Ministerrats der UdSSR (Mai 1974) „Über Maßnahmen zur Beschleunigung der Entwicklung der Molekularbiologie und Molekulargenetik und die Nutzung ihrer Errungenschaften im nationalen Bereich“ gefördert Wirtschaft."

Zündete.: Wagner R., Mitchell G., Genetik und Stoffwechsel, trans. aus Englisch, M., 1958; Szent-Gyorgy und A., Bioenergetics, trans. aus dem Englischen, M., 1960; Anfinsen K., Molekulare Grundlagen der Evolution, trans. aus Englisch, M., 1962; Stanley W., Valens E., Viren und die Natur des Lebens, trans. aus Englisch, M., 1963; Molekulargenetik, trans. Mit. Englisch, Teil 1, M., 1964; Volkenstein M.V., Moleküle und Leben. Einführung in die molekulare Biophysik, M., 1965; Gaurowitz F., Chemie und Funktionen von Proteinen, trans. aus Englisch, M., 1965; Bresler S. E., Einführung in die Molekularbiologie, 3. Auflage, M. - L., 1973; Ingram V., Biosynthese von Makromolekülen, trans. aus Englisch, M., 1966; Engelhardt V. A., Molekularbiologie, im Buch: Entwicklung der Biologie in der UdSSR, M., 1967; Einführung in die Molekularbiologie, trans. aus Englisch, M., 1967; Watson, J., Molekularbiologie des Gens, trans. aus Englisch, M., 1967; Finean J., Biologische Ultrastrukturen, trans. aus Englisch, M., 1970; Bendoll, J., Muskeln, Moleküle und Bewegung, trans. aus Englisch, M., 1970; Ichas M., Biologischer Code, trans. aus Englisch, M., 1971; Molekularbiologie von Viren, M., 1971; Molekulare Grundlagen der Proteinbiosynthese, M., 1971; Bernhard S., Struktur und Funktion von Enzymen, trans. aus Englisch, M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, 2. Aufl., M., 1971; Frenkel-Konrat H., Chemie und Biologie der Viren, trans. aus Englisch, M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Molekulare Photobiologie. Prozesse der Inaktivierung und Wiederherstellung, trans. aus Englisch, M., 1972; Harris G., Grundlagen der biochemischen Genetik des Menschen, trans. aus Englisch, M., 1973.

V. A. Engelhardt.

Große sowjetische Enzyklopädie. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. 1969-1978 .

Man kann sagen, dass die Molekularbiologie die Manifestationen des Lebens an unbelebten Strukturen oder Systemen mit elementaren Anzeichen lebenswichtiger Aktivität (die einzelne biologische Makromoleküle, ihre Komplexe oder Organellen sein können) untersucht und untersucht, wie die Schlüsselprozesse, die lebende Materie charakterisieren, durch chemische Prozesse realisiert werden Interaktionen und Transformationen.

Die Trennung der Molekularbiologie von der Biochemie in ein eigenständiges Wissenschaftsgebiet wird durch die Tatsache bestimmt, dass ihre Hauptaufgabe darin besteht, die Struktur und Eigenschaften biologischer Makromoleküle zu untersuchen, die an verschiedenen Prozessen beteiligt sind, um die Mechanismen ihrer Wechselwirkung aufzuklären. Die Biochemie hingegen befasst sich mit der Untersuchung der tatsächlichen Prozesse lebenswichtiger Aktivität, der Muster ihres Ablaufs in einem lebenden Organismus und der Transformationen von Molekülen, die diese Prozesse begleiten. Letztendlich versucht die Molekularbiologie die Frage zu beantworten, warum dieser oder jener Prozess abläuft, während die Biochemie die Frage beantwortet, wo und wie aus Sicht der Chemie der betreffende Prozess abläuft.

Geschichte

Die Molekularbiologie als eigenständiger Bereich der Biochemie nahm in den 1930er Jahren Gestalt an. Für ein tieferes Verständnis des Phänomens Leben entstand damals der Bedarf an gezielten Untersuchungen der Prozesse der Speicherung und Übertragung von Erbinformationen in lebenden Organismen auf molekularer Ebene. Dann wurde die Aufgabe der Molekularbiologie in der Untersuchung der Struktur, Eigenschaften und Wechselwirkung von Nukleinsäuren und Proteinen definiert. Der Begriff „Molekularbiologie“ wurde erstmals vom englischen Wissenschaftler William Astbury im Zusammenhang mit der Aufklärung der Beziehung zwischen der molekularen Struktur und den physikalischen und biologischen Eigenschaften fibrillärer Proteine ​​wie Kollagen, Blutfibrin oder Muskelkontraktilproteinen verwendet .

In den Anfängen der Molekularbiologie galt RNA als Bestandteil von Pflanzen und Pilzen, während DNA als typischer Bestandteil tierischer Zellen galt. Der erste Forscher, der bewies, dass DNA in Pflanzen vorkommt, war Andrey Nikolaevich Belozersky, der 1935 Erbsen-DNA isolierte. Diese Entdeckung begründete die Tatsache, dass DNA eine universelle Nukleinsäure ist, die in pflanzlichen und tierischen Zellen vorhanden ist.

Eine große Errungenschaft war die Feststellung eines direkten Kausalzusammenhangs zwischen Genen und Proteinen durch George Beadle und Edward Tatum. In ihren Experimenten legten sie Neurosporenzellen frei ( Neurosporakrassa) Röntgenstrahlung, die Mutationen verursachte. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass dies zu einer Veränderung der Eigenschaften bestimmter Enzyme führte.

Im Jahr 1940 isolierte Albert Claude zytoplasmatische RNA-haltige Granula aus dem Zytoplasma tierischer Zellen, die kleiner als Mitochondrien waren. Er nannte sie Mikrosomen. Anschließend wurde durch die Untersuchung der Struktur und Eigenschaften der isolierten Partikel ihre grundlegende Rolle im Prozess der Proteinbiosynthese festgestellt. Im Jahr 1958 wurde auf dem ersten Symposium, das diesen Partikeln gewidmet war, beschlossen, diese Partikel Ribosomen zu nennen.

Ein weiterer wichtiger Schritt in der Entwicklung der Molekularbiologie waren die veröffentlichten Daten des Experiments von Oswald Avery, Colin MacLeod und MacLean McCarthy im Jahr 1944, die zeigten, dass DNA die Ursache der bakteriellen Transformation ist. Dies war der erste experimentelle Beweis für die Rolle der DNA bei der Übertragung erblicher Informationen und widerlegte damit die frühere Vorstellung von der Proteinnatur von Genen.

In den frühen 1950er Jahren zeigte Frederick Sanger, dass eine Proteinkette eine einzigartige Abfolge von Aminosäureresten ist. In den späten 1950er Jahren entschlüsselten Max Perutz und John Kendrew die räumliche Struktur der ersten Proteine. Bereits im Jahr 2000 waren Hunderttausende natürliche Aminosäuresequenzen und Tausende räumliche Strukturen von Proteinen bekannt.

Etwa zur gleichen Zeit ermöglichte ihm Erwin Chargaffs Forschung, Regeln zu formulieren, die das Verhältnis der Stickstoffbasen in der DNA beschreiben (die Regeln besagen, dass unabhängig von Artenunterschieden in der DNA die Menge an Guanin gleich der Menge an Cytosin und der Menge an Adenin ist). entspricht der Menge an Themin), was später zum größten Durchbruch in der Molekularbiologie und zu einer der größten Entdeckungen in der Biologie überhaupt beitrug.

Dieses Ereignis ereignete sich 1953, als James Watson und Francis Crick auf der Arbeit von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins basierten Röntgenbeugungsanalyse DNA, etablierte die doppelsträngige Struktur des DNA-Moleküls. Diese Entdeckung ermöglichte es, die grundlegende Frage nach der Fähigkeit des Trägers erblicher Informationen zur Selbstreproduktion zu beantworten und den Mechanismus der Übertragung dieser Informationen zu verstehen. Dieselben Wissenschaftler formulierten das Prinzip der Komplementarität stickstoffhaltiger Basen, das für das Verständnis des Mechanismus der Bildung supramolekularer Strukturen von entscheidender Bedeutung ist. Dieses Prinzip, das heute zur Beschreibung aller Molekülkomplexe verwendet wird, ermöglicht es, die Bedingungen für die Entstehung schwacher (nichtvalenter) intermolekularer Wechselwirkungen zu beschreiben und vorherzusagen, die die Möglichkeit der Bildung sekundärer, tertiärer usw. bestimmen. Strukturen von Makromolekülen, Selbstorganisation supramolekularer biologischer Systeme, die eine so große Vielfalt molekularer Strukturen und ihrer Funktionssätze bestimmen. Dann, im Jahr 1953, entstand Wissenschaftsmagazin Zeitschrift für Molekularbiologie. Es wurde von John Kendrew geleitet, dessen wissenschaftliches Interesse die Erforschung der Struktur globulärer Proteine ​​war (Nobelpreis 1962, gemeinsam mit Max Perutz). Eine ähnliche russischsprachige Zeitschrift namens Molecular Biology wurde 1966 in der UdSSR von V. A. Engelhardt gegründet.

Im Jahr 1958 formulierte Francis Crick das sogenannte. das zentrale Dogma der Molekularbiologie: die Idee der Irreversibilität des Flusses genetischer Information von DNA über RNA zu Proteinen nach dem Schema DNA → DNA (Replikation, Erstellung einer Kopie der DNA), DNA → RNA (Transkription, Kopieren von Genen), RNA → Protein (Übersetzung, Entschlüsselung von Informationen über die Struktur von Proteinen). Dieses Dogma wurde 1970 unter Berücksichtigung des gesammelten Wissens etwas korrigiert, da das Phänomen der reversen Transkription unabhängig von Howard Temin und David Baltimore entdeckt wurde: Es wurde ein Enzym entdeckt – die Reverse Transkriptase, das für die Durchführung der Reverse Transkription verantwortlich ist – das Bildung doppelsträngiger DNA auf einer einzelsträngigen RNA-Matrize, die bei onkogenen Viren auftritt. Es ist zu beachten, dass die strikte Notwendigkeit des Flusses genetischer Information von Nukleinsäuren zu Proteinen immer noch die Grundlage der Molekularbiologie bleibt.

Im Jahr 1957 zeigte Alexander Sergeevich Spirin zusammen mit Andrei Nikolaevich Belozersky, dass trotz erheblicher Unterschiede in der Nukleotidzusammensetzung der DNA verschiedener Organismen die Zusammensetzung der Gesamt-RNA ähnlich ist. Basierend auf diesen Daten kamen sie zu dem aufsehenerregenden Schluss, dass die Gesamt-RNA einer Zelle nicht als Träger der genetischen Information von der DNA zu den Proteinen fungieren kann, da sie dieser in ihrer Zusammensetzung nicht entspricht. Gleichzeitig stellten sie fest, dass es einen geringen Anteil an RNA gibt, der in seiner Nukleotidzusammensetzung vollständig der DNA entspricht und ein echter Träger genetischer Informationen von der DNA bis zu Proteinen sein kann. Infolgedessen sagten sie die Existenz relativ kleiner RNA-Moleküle voraus, deren Struktur einzelnen Abschnitten der DNA ähnelt und die als Vermittler bei der Übertragung der in der DNA enthaltenen genetischen Informationen zum Ribosom fungieren, wo anhand dieser Informationen Proteinmoleküle synthetisiert werden. Im Jahr 1961 (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson einerseits und F. Gros, Francois Jacob und Jacques Monod) waren die ersten, die experimentell die Existenz solcher Moleküle bestätigten – Informations-(Matrix-)RNA. Gleichzeitig Sie entwickelten das Konzept und das Modell funktioneller DNA-Einheiten – ein Operon, das es ermöglichte, genau zu erklären, wie die Regulierung der Genexpression in Prokaryoten erfolgt. Die Untersuchung der Mechanismen der Proteinbiosynthese und der Prinzipien der strukturellen Organisation und Der Betrieb molekularer Maschinen – Ribosomen – ermöglichte die Formulierung eines Postulats, das die Bewegung genetischer Informationen beschreibt und als zentrales Dogma der Molekularbiologie bezeichnet wird: DNA – mRNA ist ein Protein.

Im Jahr 1961 und in den nächsten Jahren führten Heinrich Mattei und Marshall Nirenberg sowie dann Har Korana und Robert Holly mehrere Arbeiten zur Entschlüsselung des genetischen Codes durch, wodurch ein direkter Zusammenhang zwischen der DNA-Struktur und synthetisierten Proteinen hergestellt wurde und die Nukleotidsequenz, die den Satz an Aminosäuren in einem Protein bestimmt. Es wurden auch Daten zur Universalität des genetischen Codes erhoben. Die Entdeckungen waren markiert Nobelpreis 1968.

Für die Entwicklung moderner Vorstellungen über die Funktionen der RNA war die Entdeckung der nichtkodierenden RNA verantwortlich, die auf der Grundlage der Ergebnisse der Arbeit von Alexander Sergeevich Spirin zusammen mit Andrei Nikolaevich Belozersky im Jahr 1958, Charles Brenner mit Co-Autoren und Saul erfolgte Spiegelman im Jahr 1961 war entscheidend. Diese Art von RNA macht den Großteil der zellulären RNA aus. Ribosomale RNAs sind in erster Linie nicht-kodierend.

Methoden zur Kultivierung und Hybridisierung tierischer Zellen wurden ernsthaft weiterentwickelt. 1963 formulierten François Jacob und Sydney Brenner die Idee eines Replikons, einer Sequenz inhärent replizierender Gene, die wichtige Aspekte der Regulierung der Genreplikation erklärt.

Im Jahr 1967 wurde im Labor von A. S. Spirin erstmals nachgewiesen, dass die Form kompakt gefalteter RNA die Morphologie des ribosomalen Partikels bestimmt.

Im Jahr 1968 wurde eine bedeutende grundlegende Entdeckung gemacht. Okazaki, die bei der Untersuchung des Replikationsprozesses DNA-Fragmente des nacheilenden Strangs entdeckt hatte, benannte Okazaki-Fragmente nach ihr und klärte den Mechanismus der DNA-Replikation auf.

1970 machten Howard Temin und David Baltimore unabhängig voneinander eine bedeutende Entdeckung: Es wurde ein Enzym entdeckt – die Reverse Transkriptase, das für die Umsetzung der Reverse Transkription verantwortlich ist – die Bildung doppelsträngiger DNA auf einer einzelsträngigen RNA-Matrize, die in auftritt onkogene Viren, die RNA enthalten.

Eine weitere wichtige Errungenschaft der Molekularbiologie war die Aufklärung des Mechanismus von Mutationen auf molekularer Ebene. Als Ergebnis einer Reihe von Studien wurden die wichtigsten Mutationstypen ermittelt: Duplikationen, Inversionen, Deletionen, Translokationen und Transpositionen. Dies ermöglichte die Betrachtung evolutionärer Veränderungen aus der Sicht gentechnischer Prozesse und ermöglichte die Entwicklung der Theorie der molekularen Uhren, die in der Phylogenie Anwendung findet.

Zu Beginn der 1970er Jahre wurden die Grundprinzipien der Funktionsweise von Nukleinsäuren und Proteinen in einem lebenden Organismus formuliert. Es wurde festgestellt, dass Proteine ​​und Nukleinsäuren im Körper nach einem Matrixmechanismus synthetisiert werden. Das Matrixmolekül trägt verschlüsselte Informationen über die Reihenfolge von Aminosäuren (in einem Protein) oder Nukleotiden (in einer Nukleinsäure). Bei der Replikation (Verdoppelung der DNA) oder der Transkription (Synthese von mRNA) dient die DNA als solche Vorlage, bei der Translation (Proteinsynthese) oder der reversen Transkription – mRNA.

Damit wurden theoretische Voraussetzungen für die Entwicklung angewandter Gebiete der Molekularbiologie, insbesondere der Gentechnik, geschaffen. 1972 entwickelten Paul Berg, Herbert Bauer und Stanley Cohen die Technologie des molekularen Klonens. Dann waren sie die ersten, die rekombinante DNA in vitro erhielten. Diese herausragenden Experimente legten den Grundstein für die Gentechnik und dieses Jahr gilt als Geburtsdatum dieser wissenschaftlichen Richtung.

1977 entwickelten Frederick Sanger und unabhängig voneinander Allan Maxum und Walter Gilbert verschiedene Methoden zur Bestimmung der Primärstruktur (Sequenzierung) der DNA. Die Sanger-Methode, die sogenannte Kettenabbruchmethode, ist die Grundlage der modernen Sequenzierungsmethode. Das Prinzip der Sequenzierung basiert auf der Verwendung markierter Basen, die als Terminatoren in einer zyklischen Sequenzierungsreaktion fungieren. Diese Methode hat sich aufgrund der Möglichkeit, Analysen schnell durchzuführen, weit verbreitet.

1976 - Friedrich. Sanger entschlüsselte die Nukleotidsequenz der DNA des Phagen φΧ174 mit einer Länge von 5375 Nukleotidpaaren.

1981 – Sichelzellenanämie ist die erste genetische Krankheit, die durch DNA-Tests diagnostiziert wird.

1982-1983 Die Entdeckung der katalytischen Funktion von RNA in den amerikanischen Labors von T. Check und S. Altman veränderte die bestehenden Vorstellungen über die ausschließliche Rolle von Proteinen. In Analogie zu katalytischen Proteinen – Enzymen – wurden katalytische RNAs Ribozyme genannt.

1987 entdeckte Keri Mullez die Polymerase-Kettenreaktion, dank der es möglich ist, die Anzahl der DNA-Moleküle in Lösung für weitere Arbeiten künstlich deutlich zu erhöhen. Heute ist es eine der wichtigsten Methoden der Molekularbiologie, die bei der Erforschung von Erb- und Viruserkrankungen, bei der Erforschung von Genen sowie bei der genetischen Identifizierung und Verwandtschaft usw. eingesetzt wird.

Im Jahr 1990 veröffentlichten drei Wissenschaftlergruppen gleichzeitig eine Methode, die es ermöglichte, im Labor schnell synthetische funktionell aktive RNAs (künstliche Ribozyme oder Moleküle, die mit verschiedenen Liganden interagieren – Aptamere) zu erhalten. Diese Methode wird „Evolution in vitro“ genannt. Und bald darauf, 1991-1993 im Labor von A.B. Chetverina wurde experimentell die Möglichkeit der Existenz, des Wachstums und der Amplifikation von RNA-Molekülen in Form von Kolonien auf festen Medien gezeigt.

Fast zeitgleich beschrieben Craig Mello und Andrew Fire 1998 den Mechanismus, der zuvor in Genexperimenten mit Bakterien und Blumen beobachtet wurde. RNA-Interferenz, bei dem ein kleines doppelsträngiges RNA-Molekül zu einer spezifischen Unterdrückung der Genexpression führt.

Die Entdeckung des Mechanismus der RNA-Interferenz ist für die moderne Molekularbiologie von großer praktischer Bedeutung. Dieses Phänomen wird in wissenschaftlichen Experimenten häufig als Instrument zum „Ausschalten“, also zur Unterdrückung der Expression einzelner Gene, genutzt. Von besonderem Interesse ist die Tatsache, dass diese Methode eine reversible (vorübergehende) Unterdrückung der Aktivität der untersuchten Gene ermöglicht. Derzeit wird daran geforscht, dieses Phänomen auf die Behandlung viraler, neoplastischer, degenerativer und metabolischer Erkrankungen anzuwenden. Es sei darauf hingewiesen, dass im Jahr 2002 Mutanten von Polioviren entdeckt wurden, die RNA-Interferenzen vermeiden können. Daher ist mehr sorgfältige Arbeit erforderlich, um wirklich wirksame Behandlungen auf der Grundlage dieses Phänomens zu entwickeln.

In den Jahren 1999–2001 bestimmten mehrere Forschergruppen die Struktur des bakteriellen Ribosoms mit einer Auflösung von 5,5 bis 2,4 Angström.

Artikel

Die Errungenschaften der Molekularbiologie bei der Kenntnis der belebten Natur können kaum überschätzt werden. Dank eines erfolgreichen Forschungskonzepts konnten große Erfolge erzielt werden: Komplexe biologische Prozesse werden aus der Sicht einzelner molekularer Systeme betrachtet, was die Anwendung präziser physikalisch-chemischer Forschungsmethoden ermöglicht. Es zog auch viele große Köpfe aus verwandten Bereichen dieses Wissenschaftsbereichs an: Chemie, Physik, Zytologie, Virologie, was sich auch positiv auf das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Entwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse in diesem Bereich auswirkte. Bedeutende Entdeckungen wie die Bestimmung der DNA-Struktur, die Entschlüsselung des genetischen Codes und die künstliche gezielte Veränderung des Genoms ermöglichten es, die Besonderheiten der Entwicklungsprozesse von Organismen viel tiefer zu verstehen und zahlreiche wichtige grundlegende und erfolgreiche Lösungen zu finden wandte wissenschaftliche, medizinische und soziale Probleme an, die vor nicht allzu langer Zeit als unlösbar galten.

Gegenstand des Studiums der Molekularbiologie sind hauptsächlich Proteine, Nukleinsäuren und darauf basierende Molekülkomplexe (molekulare Maschinen) sowie die Prozesse, an denen sie beteiligt sind.

Nukleinsäuren sind lineare Polymere, die aus Nukleotideinheiten (Verbindungen eines fünfgliedrigen Zuckers mit einer Phosphatgruppe am fünften Atom des Zyklus und einer der vier stickstoffhaltigen Basen) bestehen, die durch eine Esterbindung von Phosphatgruppen miteinander verbunden sind. Somit ist Nukleinsäure ein Pentosephosphatpolymer mit stickstoffhaltigen Basen als Nebensubstituenten. Chemische Zusammensetzung Die RNA-Kette unterscheidet sich von der DNA dadurch, dass die erste aus einem fünfgliedrigen Ribose-Kohlenhydrat-Zyklus besteht, während die zweite aus einem dehydroxylierten Ribose-Derivat – Desoxyribose – besteht. Gleichzeitig unterscheiden sich diese Moleküle räumlich erheblich, da RNA ein flexibles einzelsträngiges Molekül ist, während DNA ein doppelsträngiges Molekül ist.

Proteine ​​sind lineare Polymere, also Ketten aus Alpha-Aminosäuren, die durch eine Peptidbindung miteinander verbunden sind, daher ihr zweiter Name – Polypeptide. Die Zusammensetzung natürlicher Proteine ​​umfasst viele verschiedene Aminosäureeinheiten – beim Menschen bis zu 20 –, was eine große Vielfalt bestimmt funktionelle Eigenschaften diese Moleküle. Diese oder jene Proteine ​​sind an fast allen Prozessen im Körper beteiligt und erfüllen viele Aufgaben: Sie fungieren als Zellbaustoff, sorgen für den Transport von Stoffen und Ionen, katalysieren chemische Reaktionen, diese Liste ist sehr lang. Proteine ​​bilden stabile Molekülkonformationen verschiedener Organisationsebenen (Sekundär- und Tertiärstrukturen) und Molekülkomplexe, was ihre Funktionalität weiter erweitert. Diese Moleküle können aufgrund der Bildung einer komplexen räumlichen Kugelstruktur eine hohe Spezifität für die Ausführung bestimmter Aufgaben aufweisen. Eine große Vielfalt an Proteinen sorgt für ein anhaltendes Interesse der Wissenschaftler an dieser Art von Molekülen.

Moderne Vorstellungen zum Thema Molekularbiologie basieren auf einer Verallgemeinerung, die erstmals 1958 von Francis Crick als zentrales Dogma der Molekularbiologie aufgestellt wurde. Sein Kern war die Behauptung, dass genetische Informationen in lebenden Organismen streng definierte Umsetzungsstadien durchlaufen: das Kopieren von DNA zu DNA am Eingang der Vererbung, von DNA zu RNA und dann von RNA zu Protein, und der umgekehrte Übergang ist nicht möglich. Diese Aussage stimmte nur teilweise, daher wurde das zentrale Dogma im Nachhinein mit Blick auf die neu entdeckten Daten korrigiert.

An dieser Moment Es gibt mehrere bekannte Möglichkeiten, genetisches Material zu realisieren, die unterschiedliche Sequenzen zur Realisierung der drei Arten der Existenz genetischer Information darstellen: DNA, RNA und Protein. Bei neun möglichen Realisierungsarten werden drei Gruppen unterschieden: Dies sind drei allgemeine Transformationen (allgemein), die in den meisten lebenden Organismen normal durchgeführt werden; drei spezielle Transformationen (speziell), die bei einigen Viren oder unter speziellen Laborbedingungen durchgeführt werden; drei unbekannte Transformationen (unbekannt), deren Umsetzung als unmöglich gilt.

Zu den gängigen Transformationen gehören die folgenden Arten der Umsetzung des genetischen Codes: DNA→DNA (Replikation), DNA→RNA (Transkription), RNA→Protein (Übersetzung).

Um die Übertragung erblicher Merkmale durchzuführen, müssen Eltern ein vollwertiges DNA-Molekül an ihre Nachkommen weitergeben. Der Prozess, durch den eine exakte Kopie der ursprünglichen DNA synthetisiert und damit genetisches Material übertragen werden kann, wird als Replikation bezeichnet. Dies geschieht durch spezielle Proteine, die das Molekül entwirren (seinen Abschnitt begradigen), die Doppelhelix entwinden und mithilfe der DNA-Polymerase eine exakte Kopie des ursprünglichen DNA-Moleküls erstellen.

Um das Leben einer Zelle sicherzustellen, muss sie ständig auf den genetischen Code zugreifen, der in der DNA-Doppelhelix eingebettet ist. Dieses Molekül ist jedoch zu groß und unhandlich, um als direkte Quelle genetischen Materials für die kontinuierliche Proteinsynthese verwendet zu werden. Daher gibt es bei der Umsetzung der in der DNA eingebetteten Informationen eine Zwischenstufe: die Synthese von mRNA, einem kleinen einzelsträngigen Molekül, das zu einem bestimmten DNA-Abschnitt komplementär ist und für ein bestimmtes Protein kodiert. Der Transkriptionsprozess wird durch RNA-Polymerase und Transkriptionsfaktoren bereitgestellt. Das resultierende Molekül kann dann leicht zu dem Teil der Zelle transportiert werden, der für die Proteinsynthese verantwortlich ist – dem Ribosom.

Nachdem die RNA in das Ribosom gelangt ist, beginnt die letzte Phase der Umsetzung der genetischen Information. In diesem Fall liest das Ribosom den genetischen Code aus der mRNA in Tripletts, sogenannten Codons, und synthetisiert auf der Grundlage der erhaltenen Informationen das entsprechende Protein.

Im Zuge spezieller Transformationen wird der genetische Code nach dem Schema RNA → RNA (Replikation), RNA → DNA (reverse Transkription), DNA → Protein (direkte Übersetzung) realisiert. Eine solche Replikation wird bei vielen Viren durch das Enzym RNA-abhängige RNA-Polymerase realisiert. Ähnliche Enzyme kommen auch in eukaryotischen Zellen vor und sind dort mit dem Prozess der RNA-Stummschaltung verbunden. Reverse Transkription wurde in Retroviren gefunden, wo sie durch das Enzym Reverse Transkriptase durchgeführt wird, und in einigen Fällen in eukaryotischen Zellen, beispielsweise während der Telomersynthese. Die Live-Übertragung erfolgt nur unter künstlichen Bedingungen in einem isolierten System außerhalb der Zelle.

Jeder der drei möglichen Übergänge der genetischen Information von Protein zu Protein, RNA oder DNA gilt als unmöglich. Der Fall der Einwirkung von Prionen auf Proteine, wodurch ein ähnliches Prion entsteht, könnte bedingt auf die Art der Umsetzung der genetischen Information Protein → Protein zurückgeführt werden. Formal ist dies jedoch nicht der Fall, da es die Aminosäuresequenz im Protein nicht beeinflusst.

Die Entstehungsgeschichte des Begriffs „zentrales Dogma“ ist merkwürdig. Da das Wort „Dogma“ im Allgemeinen eine Aussage bedeutet, die keinem Zweifel unterliegt, und das Wort selbst eine klare religiöse Konnotation hat, ist es nicht völlig legitim, es als Beschreibung einer wissenschaftlichen Tatsache zu wählen. Laut Francis Crick selbst war es sein Fehler. Er wollte der vertretenen Theorie mehr Bedeutung verleihen, sie vom Hintergrund anderer Theorien und Hypothesen abheben; warum er sich entschied, dieses seiner Meinung nach majestätische Wort zu verwenden, ohne seine wahre Bedeutung zu verstehen. Der Name blieb jedoch hängen.

Molekularbiologie heute

Die rasante Entwicklung der Molekularbiologie, das ständige Interesse der Gesellschaft an Errungenschaften auf diesem Gebiet und die objektive Bedeutung der Forschung haben zur Entstehung einer Vielzahl großer Forschungszentren der Molekularbiologie auf der ganzen Welt geführt. Zu den größten zählen: das Labor für Molekularbiologie in Cambridge, das Royal Institute in London – im Vereinigten Königreich; Institute für Molekularbiologie in Paris, Marseille und Straßburg, Institut Pasteur – in Frankreich; Abteilungen für Molekularbiologie an der Harvard University und dem Massachusetts Institute of Technology, der University of Berkeley, dem California Institute of Technology, der Rockefeller University, dem Institute of Public Health in Bethesda – in den USA; die Max-Planck-Institute, die Universitäten in Göttingen und München, das Zentralinstitut für Molekularbiologie in Berlin, die Institute in Jena und Halle – in Deutschland; Karolinska-Institut in Stockholm, Schweden.

In Russland sind die führenden Zentren auf diesem Gebiet das Institut für Molekularbiologie. Institut für Molekulargenetik RAS, Institut für Genbiologie RAS, Institut für physikalisch-chemische Biologie benannt nach V.A. A. N. Belozersky Moskauer Staatliche Universität. M. V. Lomonosov Institut für Biochemie. A. N. Bach RAS und das Institut für Protein RAS in Pushchino.

Das Interessengebiet der Molekularbiologen umfasst heute ein breites Spektrum grundlegender wissenschaftlicher Fragestellungen. Die führende Rolle kommt nach wie vor der Erforschung der Struktur von Nukleinsäuren und der Proteinbiosynthese, der Erforschung der Struktur und Funktionen verschiedener intrazellulärer Strukturen und Zelloberflächen zu. Weitere wichtige Forschungsbereiche sind die Untersuchung der Empfangs- und Signalübertragungsmechanismen, der molekularen Mechanismen des Stofftransports innerhalb der Zelle sowie von der Zelle in die äußere Umgebung und zurück. Zu den Hauptrichtungen der wissenschaftlichen Forschung im Bereich der angewandten Molekularbiologie gehört das Problem der Entstehung und Entwicklung von Tumoren. Ein weiterer sehr wichtiger Bereich, der in der Abteilung Molekularbiologie – Molekulargenetik – untersucht wird, ist die Untersuchung der molekularen Grundlagen des Auftretens von Erbkrankheiten und Viruserkrankungen wie AIDS sowie die Entwicklung von Methoden zu deren Beseitigung Prävention und möglicherweise Behandlung auf Genebene. Die Entdeckungen und Entwicklungen von Molekularbiologen in der Rechtsmedizin haben breite Anwendung gefunden. Eine echte Revolution auf dem Gebiet der Personenidentifizierung vollzogen in den 80er Jahren Wissenschaftler aus Russland, den USA und Großbritannien dank der Entwicklung und Umsetzung der Methode des „Genomischen Fingerabdrucks“ – der Identifizierung von DNA in der alltäglichen Praxis. Die Forschung auf diesem Gebiet dauert bis heute an. moderne Methoden ermöglichen es Ihnen, die Person mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von einem Milliardstel Prozent zu identifizieren. Das Projekt eines genetischen Passes wird bereits aktiv weiterentwickelt, was erwartungsgemäß die Kriminalität erheblich reduzieren wird.

Methodik

Heute verfügt die Molekularbiologie über ein umfangreiches Arsenal an Methoden zur Lösung der fortschrittlichsten und komplexesten Probleme, mit denen Wissenschaftler konfrontiert sind.

Eine der gebräuchlichsten Methoden in der Molekularbiologie ist die Gelelektrophorese, das das Problem der Trennung einer Mischung von Makromolekülen nach Größe oder Ladung löst. Fast immer wird nach der Trennung von Makromolekülen im Gel das Blotting verwendet, eine Methode, die es ermöglicht, Makromoleküle vom Gel zu übertragen ( sorbieren) auf die Membranoberfläche, um die weitere Arbeit mit ihnen, insbesondere die Hybridisierung, zu erleichtern. Hybridisierung – die Bildung hybrider DNA aus zwei Strängen unterschiedlicher Natur – eine Methode, die dabei eine wichtige Rolle spielt grundlegende Forschung. Es dient der Bestimmung komplementär Segmente in verschiedenen DNA (DNA verschiedene Typen), mit seiner Hilfe wird nach neuen Genen gesucht, mit seiner Hilfe wurde die RNA-Interferenz entdeckt und sein Prinzip bildete die Grundlage des genomischen Fingerabdrucks.

Eine wichtige Rolle in der modernen Praxis der molekularbiologischen Forschung spielt die Sequenzierungsmethode – die Bestimmung der Reihenfolge von Nukleotiden in Nukleinsäuren und Aminosäuren in Proteinen.

Die Methode der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist aus der modernen Molekularbiologie nicht mehr wegzudenken. Dank dieser Methode wird eine Erhöhung der Anzahl (Amplifikation) der Kopien einer bestimmten DNA-Sequenz durchgeführt, um aus einem Molekül eine ausreichende Menge einer Substanz für die weitere Arbeit damit zu gewinnen. Ein ähnliches Ergebnis wird durch die molekulare Klonierungstechnologie erzielt, bei der die erforderliche Nukleotidsequenz in die DNA von Bakterien (lebenden Systemen) eingeführt wird und anschließend die Vermehrung der Bakterien zum gewünschten Ergebnis führt. Dieser Ansatz ist technisch viel komplizierter, ermöglicht es aber, gleichzeitig das Ergebnis der Expression der untersuchten Nukleotidsequenz zu erhalten.

Auch Ultrazentrifugationsmethoden (zur Trennung von Makromolekülen (großer Mengen), Zellen, Organellen), Elektronen- und Fluoreszenzmikroskopie, spektrophotometrische Methoden, Röntgenbeugungsanalyse, Autoradiographie usw. werden in molekularbiologischen Studien häufig eingesetzt.

Dank des technologischen Fortschritts und der wissenschaftlichen Forschung in den Bereichen Chemie, Physik, Biologie und Informatik ermöglichen moderne Geräte die Isolierung, Untersuchung und Veränderung einzelner Gene und der Prozesse, an denen sie beteiligt sind.