Studij molekularne biologije i biološke kemije. Molekularni biolog. Opis zanimanja. Što je s biologijom

Molekularni biolog je istraživač u području medicine, čija je misija, ni manje ni više, spasiti čovječanstvo od opasnih bolesti. Među takvim bolestima, na primjer, onkologija, koja je danas postala jedan od glavnih uzroka smrti u svijetu, samo je malo inferiorna u odnosu na lidera - kardiovaskularne bolesti. Nove metode rane dijagnoze onkologije, prevencija i liječenje raka prioritet su zadaća suvremene medicine. Molekularni biolozi u području onkologije razvijaju antitijela i rekombinantne (genetski modificirane) proteine ​​za ranu dijagnozu ili ciljanu dostavu lijeka u tijelo. Stručnjaci u ovom području koriste najnovija dostignuća znanosti i tehnologije za stvaranje novih organizama i organskih tvari s ciljem njihove daljnje uporabe u istraživačkim i kliničkim aktivnostima. Među metodama koje koriste molekularni biolozi su kloniranje, transfekcija, infekcija, lančana reakcija polimerazom, sekvenciranje gena i druge. Jedna od tvrtki zainteresiranih za molekularne biologe u Rusiji je PrimeBioMed LLC. Organizacija se bavi proizvodnjom antitijela-reagensa za dijagnozu raka. Takva se antitijela uglavnom koriste za određivanje vrste tumora, njegovog porijekla i malignosti, odnosno sposobnosti metastaziranja (širenja na druge dijelove tijela). Protutijela se apliciraju na tanke presjeke ispitivanog tkiva, nakon čega se u stanicama vežu za određene proteine ​​- markere koji su prisutni u tumorskim stanicama, ali ih nema u zdravim i obrnuto. Ovisno o rezultatima studije, propisano je daljnje liječenje. Klijenti PrimeBioMeda uključuju ne samo medicinske, već i znanstvene ustanove, budući da se antitijela mogu koristiti i za rješavanje istraživačkih problema. U takvim slučajevima, jedinstvena protutijela sposobna vezati se na proučavani protein mogu se proizvesti za specifičan zadatak po posebnom nalogu. Još jedan obećavajući smjer istraživanja tvrtke je ciljana (ciljana) isporuka lijekova u tijelu. U ovom slučaju, antitijela se koriste kao transport: uz njihovu pomoć, lijekovi se isporučuju izravno u zahvaćene organe. Tako liječenje postaje učinkovitije i ima manje negativnih posljedica za organizam od primjerice kemoterapije koja ne utječe samo na stanice raka, već i na druge stanice. Očekuje se da će profesija molekularnog biologa u narednim desetljećima postati sve traženija: s povećanjem prosječnog životnog vijeka osobe povećavat će se broj onkoloških bolesti. Rano otkrivanje tumora i inovativne metode liječenja pomoću tvari dobivenih od strane molekularnih biologa spasit će živote i poboljšati njihovu kvalitetu ogroman broj od ljudi.

Osnovno strukovno obrazovanje

Postoci odražavaju distribuciju stručnjaka s određenim stupnjem obrazovanja na tržištu rada. Ključne specijalizacije za svladavanje struke označene su zelenom bojom.

Sposobnosti i vještine

  • Sposobnost rukovanja reagensima, uzorcima, mora znati raditi s malim predmetima
  • Sposobnost rada s velikim količinama informacija
  • Sposobnost rada rukama

Interesi i sklonosti

  • Želja da se nauči nešto novo
  • Sposobnost rada u multitasking modu (potrebno je pratiti tijek nekoliko reakcija i procesa istovremeno)
  • Točnost
  • Odgovornost (ne možete ostaviti posao "za sutra", jer se uzorci mogu oštetiti)
  • skrupuloznost
  • marljivost
  • Pažljivost (potrebno je pratiti mikroprocese)

Struka u licima

Marija Šitova

Daria Samoilova

Aleksej Gračev

Molekularna biologija u području onkologije - perspektivno stručno područje, budući da je borba protiv raka jedan od prioritetnih zadataka svjetske medicine.

Molekularni biolozi su traženi u mnogim područjima zbog aktivnog razvoja znanosti, biotehnoloških i inovativnih poduzeća. Do danas postoji mali nedostatak stručnjaka, posebno onih s određenim iskustvom u svojoj specijalnosti. Do sada je prilično velik broj diplomanata i dalje odlazio na rad u inozemstvo. Počinju se pojavljivati ​​prilike učinkovit rad u području biotehnologije u Rusiji, ali je prerano govoriti o masovnosti.

Rad molekularnog biologa uključuje aktivno sudjelovanje stručnjaka u znanstvenim aktivnostima, što postaje mehanizam za napredovanje u karijeri. Razvoj u struci moguć je kroz sudjelovanje u znanstvenim projektima i skupovima, možda i kroz razvoj srodnih područja znanja. Također, u budućnosti je moguć akademski razvoj od znanstvenog novaka preko znanstvenog savjetnika do vodećeg znanstvenog suradnika, profesora i/ili voditelja odjela/laboratorija.

31.2

Za prijatelje!

Referenca

Molekularna biologija izrasla je iz biokemije u travnju 1953. Njegov izgled povezan je s imenima Jamesa Watsona i Francisa Cricka, koji su otkrili strukturu molekule DNA. Otkriće je omogućeno proučavanjem genetike, bakterija i biokemije virusa. Zanimanje molekularnog biologa nije rašireno, ali danas njegova uloga u moderno društvo vrlo velika. Velik broj bolesti, uključujući i one koje se manifestiraju na genetskoj razini, zahtijeva od znanstvenika pronalaženje rješenja za ovaj problem.

Opis djelatnosti

Virusi i bakterije neprestano mutiraju, što znači da lijekovi više ne pomažu čovjeku, a bolesti postaju teško liječive. Zadatak molekularne biologije je preduhitriti ovaj proces i razviti novi lijek za bolesti. Znanstvenici rade prema dobro utvrđenoj shemi: blokiraju uzrok bolesti, eliminiraju mehanizme nasljedstva i time ublažavaju stanje bolesnika. Postoji niz centara, klinika i bolnica diljem svijeta u kojima molekularni biolozi razvijaju nove tretmane za pomoć pacijentima.

Odgovornosti na poslu

Odgovornosti molekularnog biologa uključuju proučavanje procesa unutar stanice (na primjer, promjene u DNK tijekom razvoja tumora). Također, stručnjaci proučavaju značajke DNK, njihov učinak na cijeli organizam i pojedinu stanicu. Takve se studije provode, na primjer, na temelju PCR (lančane reakcije polimeraze), koja vam omogućuje analizu tijela za infekcije, nasljedne bolesti i određivanje biološke veze.

Značajke rasta karijere

Zanimanje molekularnog biologa prilično je perspektivno u svom području i već danas tvrdi da je prvo na ljestvici medicinskih zanimanja budućnosti. Inače, molekularni biolog ne mora stalno ostati na ovom polju. Ukoliko postoji želja za promjenom zanimanja, može se prekvalificirati za voditelja prodaje laboratorijske opreme, početi razvijati instrumente za razne studije ili otvoriti vlastiti obrt.

Napredak u proučavanju nukleinskih kiselina i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velike praktične važnosti u medicini, poljoprivredi i nizu drugih industrija.

Nakon što je proučen genetski kod i temeljnih principa pohranjivanja i implementacije nasljednih informacija, razvoj molekularne biologije je zastao, jer nije bilo metoda koje su omogućile manipuliranje genima, njihovu izolaciju i promjenu. Pojava ovih metoda dogodila se 1970-1980-ih. To je dalo snažan poticaj razvoju ovog područja znanosti koje i danas cvjeta. Prije svega, radi se o metodama dobivanja pojedinačnih gena i njihovom unošenju u stanice drugih organizama (molekularno kloniranje i transgeneza, PCR), kao i metodama za određivanje sekvence nukleotida u genima (DNA i RNA sekvenciranje). O ovim metodama će se detaljnije raspravljati u nastavku. Počet ćemo s najjednostavnijom osnovnom metodom, elektroforezom, a zatim prijeći na složenije metode.

ELEKTROFOREZA DNA

To je osnovna metoda rada s DNK, koja se uz gotovo sve druge metode koristi za izolaciju željenih molekula i analizu rezultata. Gel elektroforeza se koristi za razdvajanje fragmenata DNK po duljini. DNA je kiselina, njezine molekule sadrže ostatke fosforne kiseline, koji se odvajaju od protona i dobivaju negativan naboj (slika 1).

Stoga se u električnom polju molekule DNA kreću prema anodi – pozitivno nabijenoj elektrodi. To se događa u otopini elektrolita koja sadrži ione nositelje naboja, zbog kojih ova otopina provodi struju. Za odvajanje fragmenata koristi se gusti gel od polimera (agaroza ili poliakrilamid). Molekule DNK se u nju više "zapliću", što su duže, pa se stoga najduže molekule kreću najsporije, a najkraće - najbrže (slika 2). Prije ili nakon elektroforeze gel se tretira bojama koje se vežu za DNA i fluoresciraju na ultraljubičastom svjetlu te se dobije uzorak traka u gelu (vidi sliku 3). Da bi se odredile duljine fragmenata DNA u uzorku, oni se uspoređuju s markerom, tj. skupom fragmenata standardnih duljina paralelno položenih na isti gel (slika 4).

Najvažniji alati za rad s DNA su enzimi koji provode DNA transformacije u živim stanicama: DNA polimeraze, DNA ligaze i restrikcijske endonukleaze, odnosno restrikcijski enzimi. DNA polimeraza Provodi se sinteza predloška DNK, što omogućuje razmnožavanje DNK u epruveti. DNA ligaze sašiti molekule DNK zajedno ili zaliječiti praznine u njima. Restrikcijske endonukleaze, ili restriktaze, režu molekule DNA prema strogo definiranim sekvencama, što vam omogućuje izrezivanje pojedinačnih fragmenata iz ukupne mase DNA. Ti fragmenti mogu u nekim slučajevima sadržavati pojedinačne gene.

restriktaze

Sekvence koje restrikcijski enzimi prepoznaju su simetrične, a lomovi se mogu dogoditi u sredini takve sekvence ili s pomakom (na istom mjestu u oba lanca DNA). Shema djelovanja različiti tipovi restriktaza je prikazana na sl. 1. U prvom slučaju dobivaju se takozvani "tupi" krajevi, au drugom - "ljepljivi" krajevi. U slučaju "ljepljivih" krajeva dna, lanac je kraći od drugog, formira se jednolančani dio sa simetričnim nizom koji je isti na oba formirana kraja.

Završne sekvence bit će iste kada se bilo koja DNK cijepa s danim restrikcijskim enzimom i mogu se ponovno spojiti jer imaju komplementarne sekvence. Mogu se vezati s DNA ligazom kako bi se stvorila jedna molekula. Tako je moguće spojiti fragmente dviju različitih DNK i dobiti tzv rekombinantna DNA. Ovaj pristup se koristi u metodi molekularnog kloniranja, koja omogućuje dobivanje pojedinačnih gena i njihovo uvođenje u stanice koje mogu tvoriti protein kodiran u genu.

molekularno kloniranje

Molekularno kloniranje koristi dvije molekule DNK - umetak koji sadrži gen od interesa i vektor- DNK koja djeluje kao prijenosnik. Umetak se uz pomoć enzima "ušije" u vektor, čime se dobije nova, rekombinantna molekula DNA, zatim se ta molekula unosi u stanice domaćina, a te stanice stvaraju kolonije na hranjivoj podlozi. Kolonija je potomak jedne stanice, tj. klon, sve stanice kolonije su genetski identične i sadrže istu rekombinantnu DNA. Otuda i izraz "molekularno kloniranje", odnosno dobivanje klona stanica koje sadrže fragment DNA koji nas zanima. Nakon što se dobiju kolonije koje sadrže umetak koji nas zanima, moguće ga je karakterizirati različitim metodama, na primjer, odrediti njegov točan slijed. Stanice također mogu proizvesti protein kodiran umetkom ako sadrži funkcionalni gen.

Kada se rekombinantna molekula uvede u stanice, dolazi do genetske transformacije tih stanica. Transformacija- proces apsorpcije stanice organizma slobodne molekule DNA iz okoline i njegove integracije u genom, što dovodi do pojave novih nasljednih svojstava u takvoj stanici, karakterističnih za organizam-donora DNA. Na primjer, ako umetnuta molekula sadrži gen za otpornost na antibiotik ampicilin, tada će transformirane bakterije rasti u njegovoj prisutnosti. Prije transformacije ampicilin je uzrokovao njihovu smrt, odnosno u transformiranim stanicama javlja se novi znak.

VEKTORI

Vektor mora imati niz svojstava:

    Prvo, to je relativno mala molekula DNK kojom se lako može manipulirati.

    Drugo, da bi se DNA očuvala i reproducirala u stanici, ona mora sadržavati određeni slijed koji osigurava njezinu replikaciju (original replikacije, odnosno ishodište replikacije).

    Treće, mora sadržavati marker gen, koji osigurava odabir samo onih stanica u koje je vektor ušao. Obično su to geni otporni na antibiotike - tada u prisutnosti antibiotika umiru sve stanice koje ne sadrže vektor.

Kloniranje gena najčešće se provodi u bakterijskim stanicama jer se one lako uzgajaju i brzo se razmnožavaju. U bakterijskoj stanici obično postoji jedna velika kružna molekula DNA, duga nekoliko milijuna parova baza, koja sadrži sve gene potrebne bakterijama – bakterijski kromosom. Osim nje, u nekim bakterijama postoji mala (nekoliko tisuća parova baza) kružna DNA, tzv. plazmidi(slika 2). Oni, poput glavne DNA, sadrže nukleotidni niz koji osigurava sposobnost replikacije DNA (ori). Plazmidi se repliciraju neovisno o glavnoj (kromosomskoj) DNA, stoga su u stanici prisutni u velikom broju kopija. Mnogi od ovih plazmida nose gene otpornosti na antibiotike, što omogućuje razlikovanje stanica koje nose plazmid od normalnih stanica. Češće se koriste plazmidi koji nose dva gena koji daju otpornost na dva antibiotika, kao što su tetraciklin i amicilin. postojati jednostavne metode izolacija takve plazmidne DNA slobodne od DNA glavnog kromosoma bakterije.

ZNAČAJ TRANSGENEZE

Prijenos gena iz jednog organizma u drugi naziva se transgeneza, i takvi modificirani organizmi - transgenski. Metoda prijenosa gena u mikrobne stanice koristi se za dobivanje rekombinantnih proteinskih pripravaka za medicinu, posebice ljudskih proteina koji ne izazivaju imunološko odbacivanje - interferoni, inzulin i drugi proteinski hormoni, faktori rasta stanica, kao i proteini za proizvodnju cjepiva. U više teški slučajevi Kada su proteini ispravno modificirani samo u eukariotskim stanicama, koriste se kulture transgenih stanica ili transgene životinje, posebice stoka (prvenstveno koze), koja izlučuje potrebne proteine ​​u mlijeko ili se proteini izoliraju iz njihove krvi. Tako se dobivaju antitijela, faktori zgrušavanja krvi i druge bjelančevine. Metodom transgeneze dobivaju se kultivirane biljke koje su otporne na herbicide i štetnike te imaju druge korisna svojstva. Koristeći transgene mikroorganizme za pročišćavanje otpadnih voda i borbu protiv onečišćenja, postoje čak i transgeni mikrobi koji mogu razgraditi naftu. Osim toga, transgene tehnologije su neizostavne u znanstveno istraživanje- razvoj biologije danas je nezamisliv bez rutinske primjene metoda modifikacije i prijenosa gena.

tehnologija molekularnog kloniranja

umetci

Da bi se dobio pojedinačni gen iz bilo kojeg organizma, sva kromosomska DNA se izolira iz njega i cijepa s jednim ili dva restrikcijska enzima. Enzimi su odabrani tako da ne režu gen koji nas zanima, već prave prekide po njegovim rubovima, au plazmidnoj DNK naprave jedan prekid u nekom od gena za rezistenciju, na primjer, na ampicilin.

Proces molekularnog kloniranja uključuje sljedeće korake:

    Cut and stitch - konstrukcija jedne rekombinantne molekule iz umetka i vektora.

    Transformacija je uvođenje rekombinantne molekule u stanice.

    Odabir - odabir ćelija koje su primile vektor s umetkom.

rezanje i šivanje

Plazmidna DNA se tretira istim restrikcijskim enzimima, te se pretvara u linearnu molekulu ako se odabere takav restrikcijski enzim koji uvodi 1 prekid u plazmid. Kao rezultat toga, isti ljepljivi krajevi pojavljuju se na krajevima svih nastalih fragmenata DNK. Kako se temperatura snižava, ti se krajevi nasumično spajaju i povezuju s DNA ligazom (vidi sliku 3).

Dobiva se mješavina kružnih DNK različitog sastava: neke od njih će sadržavati određenu DNK sekvencu kromosomske DNK povezane s bakterijskom DNK, druge će sadržavati spojene fragmente kromosomske DNK, a treće reducirani kružni plazmid ili njegov dimer (slika 4).

transformacija

Zatim se ova smjesa izvodi genetska transformacija bakterije koje ne sadrže plazmide. Transformacija- proces apsorpcije stanice organizma slobodne molekule DNA iz okoline i njegove integracije u genom, što dovodi do pojave novih nasljednih svojstava u takvoj stanici, karakterističnih za organizam-donora DNA. Samo jedan plazmid može ući i razmnožavati se u svakoj stanici. Takve se stanice stavljaju na čvrsti hranjivi medij koji sadrži antibiotik tetraciklin. Stanice koje nisu dobile plazmid neće rasti na ovoj podlozi, a stanice koje nose plazmid formiraju kolonije od kojih svaka sadrži potomke samo jedne stanice, tj. sve stanice u koloniji nose isti plazmid (vidi sliku 5).

Izbor

Zatim, zadatak je izolirati samo stanice u koje je ušao vektor s umetkom i razlikovati ih od stanica koje nose samo vektor bez umetka ili uopće ne nose vektor. Ovaj proces odabira pravih stanica naziva se izbor. Za ovo se prijavite selektivni markeri- obično geni otporni na antibiotike u vektoru, i selektivni mediji koji sadrže antibiotike ili druge selektivne tvari.

U primjeru koji razmatramo, stanice iz kolonija uzgojenih u prisutnosti ampicilina supkultivirane su na dva medija: prvi sadrži ampicilin, a drugi sadrži tetraciklin. Kolonije koje sadrže samo plazmid će rasti na oba medija, dok kolonije koje sadrže umetnutu kromosomsku DNA u plazmide neće rasti na mediju s tetraciklinom (slika 5). Među njima se posebnim metodama odabiru oni koji sadrže gen koji nas zanima, uzgajaju se u dovoljnim količinama i izolira se plazmidna DNA. Iz njega se, koristeći iste restriktaze koje su korištene za dobivanje rekombinantne DNA, izrezuje pojedinačni gen od interesa. DNK ovog gena može se koristiti za određivanje sekvence nukleotida, uvesti u bilo koji organizam za dobivanje novih svojstava ili sintetizirati željeni protein. Ova metoda izolacije gena naziva se molekularno kloniranje.

FLUORESCENTNI PROTEINI

Vrlo je zgodno koristiti fluorescentne proteine ​​kao markerske gene u studijama eukariotskih organizama. Gen za prvi fluorescentni protein, zeleni fluorescentni protein (GFP) je izoliran iz meduze Aqeuorea victoria i uveden u razne modelne organizme (vidi sliku 6). Godine 2008. O. Shimomura, M. Chalfi i R. Tsien dobili su Nobelovu nagradu za otkriće i primjenu ovog proteina.

Zatim su izolirani geni za druge fluorescentne proteine ​​- crveni, plavi, žuti. Ovi geni su umjetno modificirani za proizvodnju proteina sa željenim svojstvima. Raznolikost fluorescentnih proteina prikazana je na sl. 7, koja prikazuje petrijevu zdjelicu s bakterijama koje sadrže gene za razne fluorescentne proteine.

primjena fluorescentnih proteina

Gen fluorescentnog proteina može se spojiti s genom bilo kojeg drugog proteina, tada će tijekom translacije nastati jedan protein - translacijski fuzijski protein, ili fuzija(fuzijski protein), koji fluorescira. Tako je moguće proučavati, na primjer, lokalizaciju (položaj) bilo kojeg proteina od interesa u stanici, njihovo kretanje. Koristeći ekspresiju fluorescentnih proteina samo u određenim vrstama stanica, moguće je označiti stanice tih vrsta u višestaničnom organizmu (vidi sl. 8 - mozak miša, u kojem pojedini neuroni imaju različite boje zbog određene kombinacije gena fluorescentnih proteina). Fluorescentni proteini su nezamjenjiv alat u modernoj molekularnoj biologiji.

PCR

Druga metoda za dobivanje gena tzv lančana reakcija polimerazom (PCR). Temelji se na sposobnosti DNA polimeraza da dovrše drugi lanac DNA duž komplementarnog lanca, kao što se događa u stanicama tijekom replikacije DNA.

Početke replikacije u ovoj metodi daju dva mala dijela DNK tzv sjemenke, ili početnice. Ti su početnici komplementarni krajevima gena od interesa na dva lanca DNA. Najprije se kromosomska DNA iz koje se gen treba izolirati pomiješa sa sjemenkama i zagrije na 99 °C. To dovodi do kidanja vodikovih veza i divergencije DNK lanaca. Nakon toga temperatura se snižava na 50-70 o C (ovisno o dužini i redoslijedu sjemena). Pod tim uvjetima, početnice su pričvršćene na komplementarne regije kromosomske DNA, tvoreći pravilnu dvostruku spiralu (vidi sliku 9). Nakon toga se dodaje mješavina sva četiri nukleotida potrebna za sintezu DNA i DNA polimeraze. Enzim izdužuje početnice izgradnjom dvolančane DNA od mjesta vezivanja početnica, tj. od krajeva gena do kraja jednolančane molekule kromosoma.

Ako se smjesa sada ponovno zagrije, kromosomski i novosintetizirani lanci će se raspršiti. Nakon hlađenja ponovno će im se pridružiti sjemenke koje se uzimaju u velikom višku (vidi sliku 10).

Na novosintetiziranim lancima oni će se spojiti ne na kraj s kojeg je započela prva sinteza, već na suprotni, budući da su lanci DNA antiparalelni. Stoga će u drugom ciklusu sinteze samo sekvenca koja odgovara genu biti dovršena na takvim lancima (vidi sliku 11).

U ovu metodu koristi se DNA polimeraza iz termofilnih bakterija koja je sposobna izdržati vrenje i djeluje na temperaturama od 70-80 °C, ne treba ju dodavati svaki put, već ju je dovoljno dodati na početku pokusa. Ponavljanjem postupaka zagrijavanja i hlađenja u istom nizu, možemo udvostručiti broj nizova u svakom ciklusu, ograničenih na oba kraja unesenim sjemenkama (vidi sliku 12).

Nakon otprilike 25 takvih ciklusa, broj kopija gena povećat će se više od milijun puta. Takve se količine mogu lako odvojiti od kromosomske DNA unesene u epruvetu i koristiti u razne svrhe.

Sekvenciranje DNA

Drugo važno postignuće je razvoj metoda za određivanje slijeda nukleotida u DNA - Sekvenciranje DNA(od engleskog slijeda - slijed). Za to je potrebno dobiti čiste gene iz druge DNK pomoću jedne od opisanih metoda. Potom se zagrijavanjem odvajaju lanci DNK i dodaje im se početnica obilježena radioaktivnim fosforom ili fluorescentna oznaka. Imajte na umu da se uzima jedno sjeme, komplementarno jednom lancu. Zatim se dodaje DNA polimeraza i smjesa od 4 nukleotida. Takva smjesa se podijeli na 4 dijela i svakom se doda po jedan od nukleotida, modificiran tako da ne sadrži hidroksilnu skupinu na trećem atomu deoksiriboze. Ako je takav nukleotid uključen u sintetizirani lanac DNA, tada se njegovo produljenje neće moći nastaviti, jer polimeraza neće imati kamo pričvrstiti sljedeći nukleotid. Stoga se sinteza DNA nakon uključivanja takvog nukleotida prekida. Ovih nukleotida, nazvanih dideoksinukleotidi, dodaje se znatno manje nego inače, pa do prekida lanca dolazi samo povremeno i to u svakom lancu na različitim mjestima. Rezultat je mješavina lanaca različitih duljina, svaki s istim nukleotidom na kraju. Dakle, duljina lanca odgovara broju nukleotida u proučavanoj sekvenci, na primjer, ako smo imali adenil dideoksinukleotid, a dobiveni lanci su bili dugi 2, 7 i 12 nukleotida, tada je adenin bio na drugom, sedmom i dvanaestom mjestu u genu. Dobivena smjesa lanaca može se lako razdvojiti po veličini pomoću elektroforeze, a sintetizirani lanci mogu se identificirati radioaktivnošću na rendgenskom filmu (vidi sliku 10).

Ispada slika prikazana na dnu slike, nazvana radioautogram. Krećući se njime odozdo prema gore i čitajući slovo iznad stupaca svake zone, dobit ćemo niz nukleotida prikazan na slici desno od autograma. Pokazalo se da sintezu zaustavljaju ne samo dideoksinukleotidi, već i nukleotidi u kojima je neka kemijska skupina, na primjer, fluorescentna boja, vezana na treću poziciju šećera. Ako je svaki nukleotid obilježen svojom bojom, tada će zone dobivene odvajanjem sintetiziranih lanaca svijetliti drugačijim svjetlom. To omogućuje provođenje reakcije u jednoj epruveti istovremeno za sve nukleotide i, odvajanjem dobivenih lanaca po duljini, identificiranje nukleotida po boji (vidi sliku 11).

Takve su metode omogućile određivanje sekvenci ne samo pojedinačnih gena, već i čitanje cijelih genoma. Sada su razvijene još brže metode za određivanje sekvenci nukleotida u genima. Ako je prvi ljudski genom veliki međunarodni konzorcij dešifrirao prvom zadanom metodom za 12 godina, drugi, drugom, za tri godine, sada se to može učiniti za mjesec dana. To vam omogućuje da predvidite predispoziciju osobe za mnoge bolesti i unaprijed poduzmete mjere kako biste ih izbjegli.

Molekularna biologija

znanost koja kao svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sustava na razini koja se približava molekularnoj razini, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Krajnji je cilj u ovom slučaju otkriti kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života, poput nasljednosti, reprodukcije vlastite vrste, biosinteze proteina, ekscitabilnosti i razvoja, skladištenja i prenošenja informacija, pretvaranja energije, mobilnosti itd., Strukturi i molegima, dvostruko važne supstance u biološkom supstancu - proteina i nukleinskih kiselina. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim objektima ili onima koji se odlikuju najprimitivnijim manifestacijama života. To su biološke tvorevine od stanične razine i niže: substanične organele, kao što su izolirane stanične jezgre, mitohondriji, ribosomi, kromosomi, stanične membrane; dalje - sustavi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, a završavaju s molekulama najvažnijih komponenti žive tvari - nukleinskih kiselina (Vidi Nukleinske kiseline) i proteina (Vidi Proteini).

M. b. - novo područje prirodnih znanosti, usko povezano s davno utvrđenim područjima istraživanja, koja pokrivaju biokemija (Vidi Biokemija), biofizika (Vidi Biofizika) i bioorganska kemija (Vidi Bioorganska kemija). Razlika je ovdje moguća samo na temelju uzimanja u obzir korištenih metoda i temeljne prirode korištenih pristupa.

Temelj na kojem se razvio M. položile su znanosti poput genetike, biokemije, fiziologije elementarnih procesa itd. Prema podrijetlu svog razvoja, M. b. neraskidivo povezana s molekularnom genetikom (vidi Molekularna genetika) , koje i dalje čini važan dio M. bankarstva, iako se već dobrim dijelom formiralo u samostalnu disciplinu. M.-ova izolacija. iz biokemije diktiraju sljedeća razmatranja. Zadaci biokemije uglavnom su ograničeni na utvrđivanje sudjelovanja određenih kemijskih tvari u određenim biološkim funkcijama i procesima i razjašnjavanje prirode njihovih transformacija; vodeću ulogu imaju informacije o reaktivnosti i o glavnim značajkama kemijske strukture, izražene uobičajenim kemijska formula. Dakle, u biti, pozornost je usmjerena na transformacije koje utječu na glavne valentne kemijske veze. U međuvremenu, kako je naglasio L. Pauling , u biološkim sustavima i manifestacijama vitalne aktivnosti, glavnu važnost treba dati ne glavnim valentnim vezama koje djeluju unutar iste molekule, već različitim vrstama veza koje određuju međumolekulske interakcije (elektrostatske, van der Waalsove, vodikove veze itd.).

Krajnji rezultat biokemijskog istraživanja može se prikazati u obliku sustava kemijskih jednadžbi, koji se obično potpuno iscrpljuje njihovim prikazom u ravnini, tj. u dvije dimenzije. Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Bit M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u terminima molekularne strukture. Možemo reći da ako je prije, proučavajući biološke objekte, bilo potrebno odgovoriti na pitanje "što", odnosno koje su tvari prisutne, i na pitanje "gdje" - u kojim tkivima i organima, onda je M. b. postavlja sebi zadatak da dobije odgovore na pitanje "kako", poznavajući bit uloge i sudjelovanja cjelokupne strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", otkrivši, s jedne strane, veze između svojstava molekule (opet prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i funkcija koje ona obavlja, a s druge strane, ulogu takvih pojedinačnih funkcija u općem kompleksu manifestacija vitalne aktivnosti.

Međusobni raspored atoma i njihovo grupiranje u općoj strukturi makromolekule, njihovi prostorni odnosi dobivaju odlučujuću ulogu. To se odnosi kako na pojedinačne, pojedinačne komponente, tako i na ukupnu konfiguraciju molekule kao cjeline. Kao rezultat nastanka strogo određene volumetrijske strukture, molekule biopolimera poprimaju ona svojstva, zbog kojih mogu poslužiti kao materijalna osnova bioloških funkcija. Ovo načelo pristupa proučavanju živoga najkarakterističnije je, tipično obilježje M. b.

Povijesna referenca. Velika vrijednost istraživanja bioloških problema na molekularnoj razini predvidio je I. P. Pavlov , koji je govorio o posljednjem koraku u znanosti o životu – fiziologiji žive molekule. Sam pojam „M. b." prvi put je korišten u engleskom jeziku. znanstvenika W. Astburyja u primjeni na istraživanja koja se odnose na razjašnjavanje odnosa između molekularne strukture i fizičkih i bioloških svojstava fibrilarnih (vlaknastih) proteina, kao što su kolagen, krvni fibrin ili kontraktilni mišićni proteini. Široko se koristi izraz "M. b." čelika od ranih 1950-ih. 20. stoljeće

Pojava M.-a. kao zrelu znanost, uobičajeno je spominjati 1953. godinu, kada su J. Watson i F. Crick u Cambridgeu (Velika Britanija) otkrili trodimenzionalnu strukturu deoksiribonukleinske kiseline (DNK). To je omogućilo govoriti o tome kako detalji ove strukture određuju biološke funkcije DNK kao materijalnog nositelja nasljednih informacija. Načelno je ova uloga DNA postala poznata nešto ranije (1944.) kao rezultat rada američkog genetičara O. T. Averyja i suradnika (vidi Molekularna genetika), ali nije bilo poznato u kojoj mjeri ta funkcija ovisi o molekularnoj strukturi DNA. To je postalo moguće tek nakon što su laboratoriji W. L. Bragga, J. Bernala i drugih razvili nove principe difrakcijske analize X-zraka, koji su osigurali korištenje ove metode za detaljno poznavanje prostorne strukture makromolekula proteina i nukleinskih kiselina.

Razine molekularne organizacije. Godine 1957. J. Kendrew ustanovio je trodimenzionalnu strukturu mioglobina a , a u narednim godinama to je učinio M. Perutz u vezi s hemoglobinom a. Formulirane su ideje o različitim razinama prostorne organizacije makromolekula. Primarna struktura je niz pojedinačnih jedinica (monomera) u lancu nastale polimerne molekule. Za proteine, monomeri su aminokiseline. , za nukleinske kiseline – Nukleotidi. Linearna, nitasta molekula biopolimera, kao rezultat nastanka vodikovih veza, ima sposobnost da se na određeni način uklopi u prostor, npr. u slučaju proteina, kako je pokazao L. Pauling, može poprimiti oblik spirale. To se naziva sekundarna struktura. Tercijarna struktura je kada se molekula koja ima sekundarnu strukturu dalje presavija na ovaj ili onaj način, ispunjavajući trodimenzionalni prostor. Konačno, molekule koje imaju trodimenzionalnu strukturu mogu stupiti u interakciju, pravilno smještene u prostoru jedna u odnosu na drugu i tvoreći ono što je označeno kao kvaternarna struktura; njegove pojedinačne komponente se obično nazivaju podjedinicama.

Najočitiji primjer kako molekularna trodimenzionalna struktura određuje biološke funkcije molekule je DNK. Ima strukturu dvostruke zavojnice: dvije niti koje teku u međusobno suprotnom smjeru (antiparalelno) uvijaju se jedna oko druge tvoreći dvostruku zavojnicu s međusobno komplementarnim rasporedom baza, tj. tako da nasuprot određene baze jednog lanca u drugom lancu uvijek stoji takva baza koja najbolje osigurava stvaranje vodikovih veza: adepin (A) čini par s timinom (T), gvanin (G) - s cito sinus (C). Takva struktura stvara optimalne uvjete za najvažnije biološke funkcije DNA: kvantitativno umnažanje nasljednih informacija u procesu stanične diobe, uz zadržavanje kvalitativne nepromjenjivosti tog protoka genetskih informacija. Dijeljenjem stanice lanci dvostruke spirale DNA, koji služe kao predložak, odnosno predložak, odmotaju se i na svakom od njih pod djelovanjem enzima sintetizira se komplementaran novi lanac. Kao rezultat toga, dvije potpuno identične molekule kćeri dobivene su iz jedne roditeljske molekule DNA (vidi Stanica, Mitoza).

Slično tome, u slučaju hemoglobina, pokazalo se da je njegova biološka funkcija - sposobnost reverzibilnog vezanja kisika u plućima, a zatim ga predaje tkivima - usko povezana sa značajkama trodimenzionalne strukture hemoglobina i njegovim promjenama u procesu provedbe njegove fiziološke uloge. Prilikom vezanja i disocijacije O 2 dolazi do prostornih promjena u konformaciji molekule hemoglobina, što dovodi do promjene afiniteta atoma željeza sadržanih u njemu prema kisiku. Promjene u veličini molekule hemoglobina, nalik promjenama volumena prsa pri disanju, dopušteno nazvati hemoglobin "molekularnim plućima".

Jedna od najvažnijih značajki živih objekata je njihova sposobnost finog reguliranja svih manifestacija vitalne aktivnosti. Glavni doprinos M. znanstvenim otkrićima treba smatrati otkriće novog, dosad nepoznatog regulatornog mehanizma, koji se naziva alosterički učinak. Leži u sposobnosti tvari niske molekularne težine - tzv. ligandi - za modificiranje specifičnih bioloških funkcija makromolekula, prvenstveno katalitički djelujućih proteina - enzima, hemoglobina, receptorskih proteina uključenih u izgradnju bioloških membrana (vidi Biološke membrane), u sinaptičkom prijenosu (vidi sinapse) itd.

Tri biotička toka. U svjetlu ideja M. ukupnost životnih pojava može se smatrati rezultatom kombinacije triju tokova: toka materije, koji nalazi svoj izraz u fenomenima metabolizma, tj. asimilaciji i disimilaciji; protok energije, koja je pokretačka snaga za sve manifestacije života; i tok informacija, prodirući ne samo u cjelokupnu raznolikost procesa razvoja i postojanja svakog organizma, već i u kontinuirani niz uzastopnih generacija. Upravo ideja o protoku informacija, uvedena u doktrinu živog svijeta razvojem biomaterijala, ostavlja na njemu svoj specifičan, jedinstven pečat.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Brzina, opseg i dubina utjecaja M. napredak u razumijevanju temeljnih problema proučavanja žive prirode s pravom se uspoređuje, primjerice, s utjecajem kvantne teorije na razvoj atomske fizike. Dva intrinzično povezana uvjeta odredila su ovaj revolucionarni učinak. S jedne strane, odlučujuću ulogu imalo je otkriće mogućnosti proučavanja najvažnijih manifestacija vitalne aktivnosti u najjednostavnijim uvjetima, približavajući se vrsti kemijskih i fizikalnih eksperimenata. S druge strane, kao posljedica ove okolnosti, došlo je do brzog uključivanja značajnog broja predstavnika egzaktne znanosti- fizičari, kemičari, kristalografi, a potom i matematičari - u razvoju bioloških problema. U svojoj ukupnosti te su okolnosti odredile neobično brz tempo razvoja M. b., brojnost i značaj njezinih uspjeha, postignutih u samo dva desetljeća. Ovdje je daleko nepotpuni popis ovih postignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNA, svih vrsta RNA i ribosoma (vidi Ribosomi) , otkrivanje genetskog koda (vidi genetski kod) ; otkriće obrnute transkripcije (vidi transkripciju) , tj. sinteza DNA na šabloni RNA; proučavanje mehanizama funkcioniranja dišnih pigmenata; otkriće trodimenzionalne strukture i njezine funkcionalne uloge u djelovanju enzima (Vidi Enzimi) , princip sinteze matriksa i mehanizmi biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa (vidi Virusi) i mehanizama njihove replikacije, primarne i dijelom prostorne strukture protutijela; izolacija pojedinih gena , kemijska, a zatim biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući i ljudsku, izvan stanice (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i u ljudske stanice; brzo napredujuće dešifriranje kemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkriće fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve veće složenosti, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa sve do višekomponentnih enzima, virusa, ribosoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih temeljnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Redukcionizam i integracija. M. b. je završna faza tog smjera u proučavanju živih bića, koji se označava kao "redukcionizam", tj. želja da se složene životne funkcije svedu na pojave koje se događaju na molekularnoj razini i stoga su dostupne proučavanju metodama fizike i kemije. Ostvaren M. b. uspjesi svjedoče o učinkovitosti ovog pristupa. Pritom se mora uzeti u obzir da se u prirodnim uvjetima u stanici, tkivu, organu i cijelom organizmu radi o sustavima sve veće složenosti. Takvi sustavi nastaju od komponenti niže razine njihovim pravilnim spajanjem u cjeline, poprimajući strukturnu i funkcionalnu organizaciju i posjedujući nova svojstva. Stoga, kako je znanje o obrascima dostupnim za otkrivanje na molekularnoj i susjednim razinama detaljno, prije M. b. postavlja se zadatak razumijevanja mehanizama integracije kao pravca daljnjeg razvoja u proučavanju fenomena života. Ovdje se polazi od proučavanja sila međumolekulskih interakcija - vodikovih veza, van der Waalsovih, elektrostatskih sila itd. Svojom kombinacijom i prostornim rasporedom one tvore ono što se može nazvati "integrativnom informacijom". Treba ga smatrati jednim od glavnih dijelova već spomenutog protoka informacija. Na području M.-a. primjeri integracije mogu biti fenomeni samosastavljanja složenih tvorevina iz mješavine njihovih sastavni dijelovi. To uključuje, na primjer, stvaranje višekomponentnih proteina iz njihovih podjedinica, stvaranje virusa iz njihovih sastavnih dijelova - proteina i nukleinskih kiselina, obnavljanje izvorne strukture ribosoma nakon odvajanja njihovih proteinskih i nukleinskih komponenti itd. Proučavanje ovih fenomena izravno je povezano sa poznavanjem temeljnih fenomena "prepoznavanja" molekula biopolimera. Poanta je otkriti koje kombinacije aminokiselina - u proteinskim molekulama ili nukleotidima - u nukleinskim kiselinama međusobno djeluju tijekom procesa asocijacije pojedinačnih molekula uz stvaranje kompleksa strogo specifičnog, unaprijed određenog sastava i strukture. To uključuje procese stvaranja složenih proteina iz njihovih podjedinica; dalje, selektivna interakcija između molekula nukleinskih kiselina, na primjer, transport i matrica (u ovom slučaju, otkriće genetskog koda značajno je proširilo naše informacije); konačno, ovo je formiranje mnogih vrsta struktura (na primjer, ribosoma, virusa, kromosoma), u kojima sudjeluju i proteini i nukleinske kiseline. Otkrivanje odgovarajućih zakona, poznavanje "jezika" koji je u osnovi ovih interakcija, jedno je od najvažnijih područja matematičke lingvistike, koje još uvijek čeka na razvoj. Ovo područje spada u red temeljnih problema za cjelokupnu biosferu.

Problemi molekularne biologije. Uz navedene važne poslove M. bi. (poznavanje zakona "prepoznavanja", samosastavljanja i integracije) stvarni smjer znanstvenog traganja za blisku budućnost je razvoj metoda koje omogućuju dešifriranje strukture, a potom i trodimenzionalne, prostorne organizacije visokomolekularnih nukleinskih kiselina. To je sada postignuto s obzirom na opći plan trodimenzionalne strukture DNA (dvostruka spirala), ali bez točnog poznavanja njezine primarne strukture. Brzi uspjesi u razvoju analitičkih metoda omogućuju nam da s pouzdanjem očekujemo postizanje ovih ciljeva u narednim godinama. Ovdje, naravno, glavni doprinosi dolaze od predstavnika srodnih znanosti, prvenstveno fizike i kemije. Sve najvažnije metode, čijom je primjenom osiguran nastanak i uspjeh M. b., predložili su i razvili fizičari (ultracentrifugiranje, difrakcijska analiza X-zraka, elektronska mikroskopija, nuklearna magnetska rezonancija i dr.). Gotovo svi novi fizikalni eksperimentalni pristupi (primjerice, uporaba računala, sinkrotronskog ili zakočnog zračenja, laserske tehnologije itd.) otvaraju nove mogućnosti za dubinsko proučavanje problemi M. b. Među najvažnijim zadacima praktične prirode, čiji se odgovor očekuje od M., na prvom je mjestu problem molekularnih temelja malignog rasta, zatim - načini sprječavanja, a možda i prevladavanja nasljednih bolesti - "molekularnih bolesti" (Vidi Molekularne bolesti). Velika važnost imat će rasvjetljavanje molekularnih temelja biološke katalize, tj. djelovanja enzima. Među najvažnijim modernim pravcima M. b. treba uključiti želju za dešifriranjem molekularnih mehanizama djelovanja hormona (vidi Hormoni) , otrovnih i ljekovitih tvari, kao i saznati pojedinosti molekularne strukture i funkcioniranja takvih staničnih struktura kao što su biološke membrane uključene u regulaciju procesa prodiranja i transporta tvari. Dalji ciljevi M. b. - poznavanje prirode živčanih procesa, mehanizama pamćenja (vidi Memorija), itd. Jedan od važnih dijelova M. b. - tzv. genetsko inženjerstvo, koje kao svoj zadatak postavlja svrhovito djelovanje genetskog aparata (Genoma) živih organizama, počevši od mikroba i nižih (jednostaničnih) i završavajući s ljudima (u potonjem slučaju, prvenstveno u svrhu radikalnog liječenja nasljednih bolesti i ispravljanja genetskih defekata). O opsežnijim zahvatima u ljudsku genetičku osnovu može se govoriti tek u manje ili više dalekoj budućnosti, jer u tom slučaju nastaju ozbiljne prepreke, tehničke i fundamentalne. Što se tiče mikroba, biljaka, a moguće je i stranica - x. Za životinje su takvi izgledi vrlo ohrabrujući (na primjer, dobivanje sorti kultiviranih biljaka koje imaju aparat za fiksiranje dušika iz zraka i ne trebaju gnojiva). Nadovezuju se na već postignute uspjehe: izolacija i sintetiziranje gena, prijenos gena iz jednog organizma u drugi, primjena masovne kulture stanice kao proizvođači ekonomski ili medicinski važnih tvari.

Organizacija istraživanja u molekularnoj biologiji. Brz razvoj M. b. dovela je do pojave velikog broja specijaliziranih istraživačkih centara. Njihov broj brzo raste. Najveći: u Velikoj Britaniji - Laboratorij za molekularnu biologiju u Cambridgeu, Kraljevski institut u Londonu; u Francuskoj - instituti za molekularnu biologiju u Parizu, Marseilleu, Strasbourgu, Institut Pasteur; u SAD - odjeli M. b. na sveučilištima i institutima u Bostonu (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Franciscu (Berkeley), Los Angelesu (California Institute of Technology), New Yorku (Rockefeller University), zdravstvenim institutima u Bethesdi itd.; u Njemačkoj - Max Planck instituti, sveučilišta u Göttingenu i Münchenu; u Švedskoj, Institut Karolinska u Stockholmu; u DDR-u - Središnji institut za molekularnu biologiju u Berlinu, instituti u Jeni i Halleu; u Mađarskoj - Biološki centar u Szegedu. U SSSR-u prvi specijalizirani institut M. bi. stvorena je u Moskvi 1957. u sustavu Akademije znanosti SSSR-a (vidi. ); tada su formirani: Institut za bioorgansku kemiju Akademije znanosti SSSR-a u Moskvi, Institut za proteine ​​u Puščinu, Biološki odjel pri Institutu za atomsku energiju (Moskva) i odjeli M. b. u institutima Sibirskog ogranka Akademije znanosti u Novosibirsku, Međukatedrenskom laboratoriju za bioorgansku kemiju Moskovskog državnog sveučilišta, Sektoru (kasnije Institutu) za molekularnu biologiju i genetiku Akademije znanosti Ukrajinske SSR u Kijevu; značajan rad na M. b. provodi se u Institutu za makromolekularne spojeve u Lenjingradu, u nizu odjela i laboratorija Akademije znanosti SSSR-a i drugih odjela.

Uz pojedinačna istraživačka središta nastale su organizacije šireg opsega. U zapadnoj Europi nastala je Europska organizacija za M. (EMBO), u kojem sudjeluje više od 10 zemalja. U SSSR-u je 1966. godine na Institutu za molekularnu biologiju osnovan Znanstveni savjet za M. B., koji je koordinacijski i organizacijski centar u ovom području znanja. Objavio je opsežnu seriju monografija o najvažnijim dionicama M. b., redovito se organiziraju “zimske škole” o M. b., konferencije i simpoziji o aktualnim problemima M. b. U budućnosti bi znanstveni savjeti o M. stvoreni su na Akademiji medicinskih znanosti SSSR-a i mnogim republičkim akademijama znanosti. Časopis Molecular Biology izlazi od 1966. (6 brojeva godišnje).

Za relativno kratkoročno u SSSR-u je izrastao značajan odred istraživača na polju M.; to su znanstvenici starije generacije koji su djelomično preusmjerili svoje interese s drugih područja; uglavnom su to brojni mladi istraživači. Među vodećim znanstvenicima koji su aktivno sudjelovali u formiranju i razvoju M. b. u SSSR-u se mogu navesti A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. nova postignuća. a molekularna genetika bit će promicana rezolucijom Centralnog komiteta KPSS-a i Vijeća ministara SSSR-a (svibanj 1974.) "O mjerama za ubrzanje razvoja molekularne biologije i molekularne genetike i korištenje njihovih postignuća u nacionalnom gospodarstvu".

Lit.: Wagner R., Mitchell G., Genetika i metabolizam, trans. s engleskog, M., 1958.; Szent-Gyorgy i A., Bioenergetika, trans. s engleskog, M., 1960.; Anfinsen K., Molekularne osnove evolucije, trans. s engleskog, M., 1962.; Stanley W., Valens E., Virusi i priroda života, prev. s engleskog, M., 1963.; Molekularna genetika, trans. S. engleski, 1. dio, M., 1964; Volkenstein M.V., Molekule i život. Uvod u molekularnu biofiziku, M., 1965; Gaurowitz F., Kemija i funkcije proteina, trans. s engleskog, M., 1965.; Bresler S. E., Uvod u molekularnu biologiju, 3. izdanje, M. - L., 1973.; Ingram V., Biosinteza makromolekula, trans. s engleskog, M., 1966.; Engelhardt V. A., Molekularna biologija, u knjizi: Razvoj biologije u SSSR-u, M., 1967; Uvod u molekularnu biologiju, trans. s engleskog, M., 1967.; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, trans. s engleskog, M., 1967.; Finean J., Biološke ultrastrukture, trans. s engleskog, M., 1970.; Bendoll, J., Mišići, molekule i kretanje, trans. s engleskog, M., 1970.; Ichas M., Biološki kod, prev. s engleskog, M., 1971.; Molekularna biologija virusa, M., 1971; Molekularne osnove biosinteze proteina, M., 1971; Bernhard S., Struktura i funkcija enzima, trans. s engleskog, M., 1971.; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosom, 2. izdanje, M., 1971.; Frenkel-Konrat H., Kemija i biologija virusa, trans. s engleskog, M., 1972.; Smith C., Hanewalt F., Molekularna fotobiologija. Procesi inaktivacije i oporavka, trans. s engleskog, M., 1972.; Harris G., Osnove ljudske biokemijske genetike, trans. s engleskog, M., 1973.

V. A. Engelhardt.


Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .

Može se reći da molekularna biologija proučava manifestacije života na neživim strukturama ili sustavima s elementarnim znakovima vitalne aktivnosti (što mogu biti pojedinačne biološke makromolekule, njihovi kompleksi ili organele), proučavajući kako se ključni procesi koji karakteriziraju živu tvar ostvaruju kroz kemijske interakcije i transformacije.

Odvajanje molekularne biologije od biokemije u samostalno područje znanosti uvjetovano je činjenicom da je njezin glavni zadatak proučavanje strukture i svojstava bioloških makromolekula uključenih u različite procese, rasvjetljavanje mehanizama njihove interakcije. Biokemija se, s druge strane, bavi proučavanjem stvarnih procesa vitalne aktivnosti, obrazaca njihova tijeka u živom organizmu i transformacijama molekula koje prate te procese. Naposljetku, molekularna biologija pokušava odgovoriti na pitanje zašto se događa ovaj ili onaj proces, dok biokemija odgovara na pitanja gdje i kako se, s gledišta kemije, taj proces odvija.

Priča

Molekularna biologija kao zasebno područje biokemije počela se oblikovati 1930-ih. Tada se za dublje razumijevanje fenomena života javila potreba za ciljanim proučavanjem na molekularnoj razini procesa pohranjivanja i prijenosa nasljednih informacija u živim organizmima. Tada je zadatak molekularne biologije definiran u proučavanju strukture, svojstava i međudjelovanja nukleinskih kiselina i proteina. Pojam "molekularna biologija" prvi je upotrijebio engleski znanstvenik William Astbury u kontekstu istraživanja vezanih uz rasvjetljavanje odnosa između molekularne strukture i fizičkih i bioloških svojstava fibrilarnih proteina, kao što su kolagen, krvni fibrin ili kontraktilni proteini mišića.

U ranim danima molekularne biologije, RNK se smatrala komponentom biljaka i gljiva, dok se DNK smatrala tipičnom komponentom životinjskih stanica. Prvi istraživač koji je dokazao da se DNK nalazi u biljkama bio je Andrej Nikolajevič Belozerski, koji je izolirao DNK graška 1935. godine. Ovim otkrićem utvrđena je činjenica da je DNK univerzalna nukleinska kiselina prisutna u biljnim i životinjskim stanicama.

Veliko postignuće bilo je uspostavljanje izravne uzročne veze između gena i proteina od strane Georgea Beadlea i Edwarda Tatuma. U svojim eksperimentima izložili su stanice neurospora ( Neurosporacrassa) Izlaganje X-zrakama koje je uzrokovalo mutacije. Dobiveni rezultati pokazali su da je to dovelo do promjene svojstava pojedinih enzima.

Godine 1940. Albert Claude izolirao je granule koje sadrže citoplazmatsku RNA iz citoplazme životinjskih stanica, koje su bile manje od mitohondrija. Nazvao ih je mikrosomima. Naknadno je proučavanjem strukture i svojstava izoliranih čestica utvrđena njihova temeljna uloga u procesu biosinteze proteina. Godine 1958. na prvom simpoziju posvećenom ovim česticama odlučeno je da se te čestice nazovu ribosomi.

Još jedan važan korak u razvoju molekularne biologije bili su objavljeni podaci pokusa Oswalda Averyja, Colina MacLeoda i MacLeana McCarthyja 1944. godine koji su pokazali da je DNK uzrok bakterijske transformacije. Ovo je bio prvi eksperimentalni dokaz uloge DNK u prijenosu nasljednih informacija, razotkrivajući raniju ideju o proteinskoj prirodi gena.

Početkom 1950-ih, Frederick Sanger je pokazao da je proteinski lanac jedinstveni niz aminokiselinskih ostataka. U kasnim 1950-ima Max Perutz i John Kendrew dešifrirali su prostornu strukturu prvih proteina. Već 2000. godine bile su poznate stotine tisuća prirodnih sekvenci aminokiselina i tisuće prostornih struktura proteina.

Otprilike u isto vrijeme Erwinu Chargaffu su istraživanja omogućila da formulira pravila koja opisuju omjer dušičnih baza u DNK (pravila kažu da je, bez obzira na vrsne razlike u DNK, količina gvanina jednaka količini citozina, a količina adenina jednaka količini themina), što je kasnije pomoglo najvećem pomaku u molekularnoj biologiji i jednom od najvećih otkrića u biologiji uopće.

Ovaj događaj dogodio se 1953. godine kada su James Watson i Francis Crick, na temelju djela Rosalind Franklin i Mauricea Wilkinsa na Analiza rendgenske difrakcije DNA, uspostavio je dvolančanu strukturu molekule DNA. Ovo otkriće omogućilo je odgovor na temeljno pitanje o sposobnosti nositelja nasljedne informacije da se samoreproducira i razumije mehanizam prijenosa te informacije. Isti su znanstvenici formulirali princip komplementarnosti dušikovih baza koji je od ključne važnosti za razumijevanje mehanizma nastanka supramolekularnih struktura. Ovaj princip, koji se danas koristi za opisivanje svih molekularnih kompleksa, omogućuje opisivanje i predviđanje uvjeta za pojavu slabih (nevalentnih) međumolekulskih interakcija, koje određuju mogućnost nastanka sekundarnih, tercijarnih itd. strukture makromolekula, samosastavljanje supramolekularnih bioloških sustava koji određuju tako široku raznolikost molekularnih struktura i njihovih funkcionalnih sklopova. Zatim, 1953. godine, nastao je znanstveni časopisČasopis za molekularnu biologiju. Vodio ju je John Kendrew, čije je područje znanstvenog interesa bilo proučavanje strukture globularnih proteina (Nobelova nagrada 1962., zajedno s Maxom Perutzom). Sličan časopis na ruskom jeziku pod nazivom Molecular Biology osnovao je u SSSR-u V. A. Engelhardt 1966. godine.

Godine 1958. Francis Crick formulirao je tzv. središnja dogma molekularne biologije: ideja o nepovratnosti protoka genetskih informacija od DNA preko RNA do proteina prema shemi DNA → DNA (replikacija, stvaranje kopije DNA), DNA → RNA (transkripcija, kopiranje gena), RNA → protein (prijevod, dekodiranje informacija o strukturi proteina). Ova dogma donekle je ispravljena 1970. godine, uzimajući u obzir akumulirano znanje, budući da su fenomen reverzne transkripcije neovisno otkrili Howard Temin i David Baltimore: otkriven je enzim - reverzna transkriptaza, koji je odgovoran za provedbu reverzne transkripcije - stvaranje dvolančane DNA na jednolančanoj RNA šabloni, koja se javlja u onkogenim virusima. Treba napomenuti da stroga nužnost protoka genetskih informacija od nukleinskih kiselina do proteina još uvijek ostaje temelj molekularne biologije.

Godine 1957. Aleksandar Sergejevič Spirin, zajedno s Andrejem Nikolajevičem Belozerskim, pokazao je da je, unatoč značajnim razlikama u sastavu nukleotida DNK različitih organizama, sastav ukupne RNK sličan. Na temelju tih podataka došli su do senzacionalnog zaključka da ukupna RNA stanice ne može djelovati kao prijenosnik genetske informacije od DNA do proteina, budući da joj ne odgovara po svom sastavu. Istodobno su primijetili da postoji manji dio RNK, koji po svom nukleotidnom sastavu u potpunosti odgovara DNK i koji može biti pravi prijenosnik genetske informacije od DNK do proteina. Kao rezultat toga, predvidjeli su postojanje relativno malih molekula RNK, koje su po strukturi analogne pojedinačnim dijelovima DNK i djeluju kao posrednici u prijenosu genetskih informacija sadržanih u DNK do ribosoma, gdje se pomoću tih informacija sintetiziraju proteinske molekule. Godine 1961. (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson s jedne strane i F. Gros, François Jacob i Jacques Monod prvi su eksperimentalno potvrdili postojanje takvih molekula - informacijske (matrične) RNA. Istodobno su razvili koncept i model funkcionalne jedinice DNA - operona, koji je omogućio objašnjenje kako se točno odvija regulacija ekspresije gena u prokariota. bosi - omogućio je formuliranje postulata koji opisuje kretanje genetskih informacija, nazvan središnjom dogmom molekularne biologije: DNA - mRNA - protein.

Godine 1961. i sljedećih nekoliko godina Heinrich Mattei i Marshall Nirenberg, a zatim Har Korana i Robert Holley, izveli su nekoliko radova na dešifriranju genetskog koda, čime je uspostavljena izravna veza između strukture DNA i sintetiziranih proteina i određen slijed nukleotida koji određuje skup aminokiselina u proteinu. Dobiveni su i podaci o univerzalnosti genetskog koda. Otkrića su obilježena Nobelova nagrada 1968. godine.

Za razvoj suvremenih ideja o funkcijama RNA odlučujuće je bilo otkriće nekodirajuće RNA, napravljeno na temelju rezultata rada Aleksandra Sergejeviča Spirina zajedno s Andrejem Nikolajevičem Belozerskim 1958. godine, Charlesa Brennera s koautorima i Saula Spiegelmana 1961. godine. Ova vrsta RNA čini najveći dio stanične RNA. Ribosomske RNA prvenstveno nisu kodirajuće.

Metode uzgoja i hibridizacije životinjskih stanica ozbiljno su se razvile. Godine 1963. François Jacob i Sydney Brenner formulirali su ideju o replikonu, nizu inherentno repliciranih gena koji objašnjava važne aspekte regulacije replikacije gena.

Godine 1967. u laboratoriju A. S. Spirina po prvi je put pokazano da oblik kompaktno savijene RNK određuje morfologiju ribosomske čestice.

Godine 1968. došlo je do značajnog temeljnog otkrića. Okazaki je, otkrivši fragmente DNK zaostalog lanca u proučavanju procesa replikacije, nazvao Okazakijeve fragmente po njoj, razjasnio mehanizam replikacije DNK.

Godine 1970. Howard Temin i David Baltimore neovisno su došli do značajnog otkrića: otkriven je enzim - reverzna transkriptaza, koji je odgovoran za provedbu reverzne transkripcije - stvaranje dvolančane DNA na jednolančanoj RNA šabloni, koja se javlja u onkogenim virusima koji sadrže RNA.

Drugo važno postignuće molekularne biologije bilo je objašnjenje mehanizma mutacija na molekularnoj razini. Kao rezultat niza studija utvrđene su glavne vrste mutacija: duplikacije, inverzije, delecije, translokacije i transpozicije. To je omogućilo razmatranje evolucijskih promjena sa stajališta genskih procesa i omogućilo razvoj teorije molekularnih satova koja se koristi u filogeniji.

Do početka 1970-ih godina formulirani su osnovni principi funkcioniranja nukleinskih kiselina i proteina u živom organizmu. Utvrđeno je da se proteini i nukleinske kiseline u tijelu sintetiziraju prema mehanizmu matrice, molekula matrice nosi šifriranu informaciju o slijedu aminokiselina (u proteinu) ili nukleotida (u nukleinskoj kiselini). Tijekom replikacije (udvostručenje DNA) ili transkripcije (sinteza mRNA), DNA služi kao takva predložak, tijekom translacije (sinteza proteina) ili obrnute transkripcije - mRNA.

Time su stvoreni teorijski preduvjeti za razvoj primijenjenih područja molekularne biologije, posebice genetičkog inženjerstva. Godine 1972. Paul Berg, Herbert Bauer i Stanley Cohen razvili su tehnologiju molekularnog kloniranja. Tada su prvi dobili rekombinantnu DNK in vitro. Ovi izvanredni eksperimenti postavili su temelje genetskog inženjeringa, a ova se godina smatra datumom rođenja ovog znanstvenog pravca.

Godine 1977. Frederick Sanger i neovisno Allan Maxum i Walter Gilbert razvili su različite metode za određivanje primarne strukture (sekvenciranje) DNA. Sangerova metoda, tzv. metoda prekida lanca, osnova je suvremene metode sekvenciranja. Načelo sekvenciranja temelji se na korištenju obilježenih baza koje djeluju kao terminatori u cikličkoj reakciji sekvenciranja. Ova metoda je postala široko rasprostranjena zbog mogućnosti brzog provođenja analize.

1976. - Fridrik. Sanger je dešifrirao nukleotidnu sekvencu DNA faga φΧ174 duljine 5375 parova nukleotida.

1981. - Anemija srpastih stanica postaje prva genetska bolest dijagnosticirana analizom DNK.

1982.-1983. otkriće katalitičke funkcije RNA u američkim laboratorijima T. Checka i S. Altmana promijenilo je postojeće ideje o isključivoj ulozi proteina. Po analogiji s katalitičkim proteinima – enzimima, katalitičke RNA nazvane su ribozimi.

1987. Keri Mullez otkrio je lančanu reakciju polimeraze, zahvaljujući kojoj je moguće umjetno značajno povećati broj molekula DNA u otopini za daljnji rad. Danas je to jedna od najvažnijih metoda molekularne biologije koja se koristi u proučavanju nasljednih i virusnih bolesti, u proučavanju gena te u genetskoj identifikaciji i srodstvu itd.

Godine 1990. u isto vrijeme tri skupine znanstvenika objavile su metodu koja je omogućila brzo dobivanje sintetskih funkcionalno aktivnih RNA u laboratoriju (umjetni ribozimi ili molekule koje su u interakciji s različitim ligandima – aptameri). Ova metoda se zove "evolucija in vitro". A ubrzo nakon toga, 1991.-1993. u laboratoriju A.B. Četverina eksperimentalno je prikazana mogućnost postojanja, rasta i umnožavanja molekula RNA u obliku kolonija na čvrstim podlogama.

Godine 1998., gotovo istodobno, Craig Mello i Andrew Fire opisali su mehanizam koji je ranije uočen u genskim eksperimentima s bakterijama i cvijećem. RNA interferencija, u kojem mala dvolančana molekula RNA dovodi do specifične supresije ekspresije gena.

Otkriće mehanizma RNA interferencije od velike je praktične važnosti za modernu molekularnu biologiju. Ovaj se fenomen naširoko koristi u znanstvenim eksperimentima kao alat za "isključivanje", odnosno potiskivanje ekspresije pojedinih gena. Posebno je zanimljiva činjenica da ova metoda omogućuje reverzibilnu (privremenu) supresiju aktivnosti proučavanih gena. U tijeku su istraživanja za primjenu ovog fenomena u liječenju virusnih, neoplastičnih, degenerativnih i metaboličkih bolesti. Treba napomenuti da su 2002. godine otkriveni mutanti virusa dječje paralize koji mogu izbjeći interferenciju RNA, pa je potrebno više mukotrpnog rada kako bi se razvili istinski učinkoviti tretmani temeljeni na ovom fenomenu.

U razdoblju od 1999. do 2001. godine nekoliko skupina istraživača odredilo je strukturu bakterijskog ribosoma s rezolucijom od 5,5 do 2,4 angstrema.

Artikal

Dostignuća molekularne biologije u poznavanju žive prirode teško se mogu precijeniti. Veliki uspjeh postignut je zahvaljujući uspješnom konceptu istraživanja: složeni biološki procesi razmatraju se sa stajališta pojedinačnih molekularnih sustava, što omogućuje primjenu preciznih fizikalno-kemijskih metoda istraživanja. Također je u ovo područje znanosti privuklo mnoge velike umove iz srodnih područja: kemije, fizike, citologije, virologije, što je također imalo blagotvoran učinak na opseg i brzinu razvoja znanstvenih spoznaja u ovom području. Značajna otkrića kao što su određivanje strukture DNK, dešifriranje genetskog koda i umjetno usmjerena modifikacija genoma omogućila su mnogo dublje razumijevanje specifičnosti razvojnih procesa organizama i uspješno rješavanje brojnih važnih temeljnih i primijenjenih znanstvenih, medicinskih i društvenih problema koji su se ne tako davno smatrali nerješivima.

Predmet proučavanja molekularne biologije uglavnom su proteini, nukleinske kiseline i molekularni kompleksi (molekularni strojevi) koji se temelje na njima i procesima u kojima sudjeluju.

Nukleinske kiseline su linearni polimeri koji se sastoje od nukleotidnih jedinica (spojeva peteročlanog šećera s fosfatnom skupinom na petom atomu ciklusa i jedne od četiri dušične baze) međusobno povezanih esterskom vezom fosfatnih skupina. Dakle, nukleinska kiselina je pentozofosfatni polimer s dušikovim bazama kao bočnim supstituentima. Kemijski sastav RNA lanac se razlikuje od DNA po tome što se prvi sastoji od peteročlanog ugljikohidratnog ciklusa riboze, dok se drugi sastoji od dehidroksiliranog derivata riboze - deoksiriboze. Istovremeno, te se molekule prostorno dramatično razlikuju, budući da je RNA fleksibilna jednolančana molekula, dok je DNA dvolančana molekula.

Proteini su linearni polimeri, koji su lanci alfa-aminokiselina međusobno povezani peptidnom vezom, otuda i njihovo drugo ime - polipeptidi. Sastav prirodnih bjelančevina uključuje mnogo različitih jedinica aminokiselina - kod ljudi do 20 -, što određuje široku raznolikost funkcionalna svojstva ove molekule. Ovi ili oni proteini sudjeluju u gotovo svim procesima u tijelu i obavljaju mnoge zadaće: igraju ulogu staničnog građevnog materijala, osiguravaju transport tvari i iona, kataliziraju kemijske reakcije, ovaj popis je jako dugačak. Proteini tvore stabilne molekularne konformacije različitih razina organizacije (sekundarne i tercijarne strukture) i molekularne komplekse, što dodatno proširuje njihovu funkcionalnost. Ove molekule mogu imati visoku specifičnost za obavljanje određenih zadataka zbog formiranja složene prostorne globularne strukture. Širok izbor proteina osigurava stalni interes znanstvenika za ovu vrstu molekula.

Moderne ideje o predmetu molekularne biologije temelje se na generalizaciji koju je 1958. godine prvi iznio Francis Crick kao središnju dogmu molekularne biologije. Njegova je bit bila tvrdnja da genetička informacija u živim organizmima prolazi kroz strogo određene faze implementacije: kopiranje s DNA na DNA na ulazu u nasljeđe, s DNA na RNA, a zatim s RNA na protein, a obrnuti prijelaz nije izvediv. Ova je izjava bila istinita samo djelomično, stoga je središnja dogma naknadno ispravljena s obzirom na novootkrivene podatke.

Na ovaj trenutak Postoji nekoliko poznatih načina realizacije genetskog materijala, koji predstavljaju različite sekvence realizacije tri vrste postojanja genetske informacije: DNK, RNK i proteina. U devet mogućih načina ostvarenja razlikuju se tri skupine: to su tri opće transformacije (opće), koje se normalno provode u većini živih organizama; tri posebne transformacije (specijalne), provedene u nekim virusima ili u posebnim laboratorijskim uvjetima; tri nepoznate transformacije (nepoznato), čija se implementacija smatra nemogućom.

Uobičajene transformacije uključuju sljedeće načine implementacije genetskog koda: DNA→DNA (replikacija), DNA→RNA (transkripcija), RNA→protein (translacija).

Da bi izvršili prijenos nasljednih osobina, roditelji trebaju prenijeti punopravnu molekulu DNK svojim potomcima. Proces kojim se može sintetizirati točna kopija izvorne DNK, a time i prenijeti genetski materijal, naziva se replikacija. Provode ga posebni proteini koji razmotaju molekulu (izravnaju njezin presjek), odmotaju dvostruku spiralu i pomoću DNA polimeraze stvaraju točnu kopiju originalne DNA molekule.

Kako bi osigurala život stanice, ona se mora stalno pozivati ​​na genetski kod ugrađen u dvostruku spiralu DNK. Međutim, ta je molekula prevelika i nespretna da bi se mogla koristiti kao izravan izvor genetskog materijala za kontinuiranu sintezu proteina. Stoga, u tijeku implementacije informacija ugrađenih u DNA, postoji međufaza: sinteza mRNA, koja je mala jednolančana molekula komplementarna određenom segmentu DNA koji kodira određeni protein. Proces transkripcije osiguravaju RNA polimeraza i transkripcijski faktori. Rezultirajuća molekula se zatim može lako dostaviti u dio stanice odgovoran za sintezu proteina – ribosom.

Nakon što RNA uđe u ribosom, počinje posljednja faza realizacije genetske informacije. U tom slučaju ribosom čita genetski kod iz mRNA u tripletima koji se nazivaju kodoni i sintetizira odgovarajući protein na temelju primljenih informacija.

U tijeku posebnih transformacija, genetski kod se ostvaruje prema shemi RNA → RNA (replikacija), RNA → DNA (reverzna transkripcija), DNA → protein (izravna translacija). Replikacija ovog tipa ostvaruje se u mnogim virusima, gdje je provodi enzim RNA ovisna RNA polimeraza. Slični enzimi također se nalaze u eukariotskim stanicama, gdje su povezani s procesom utišavanja RNK. Reverzna transkripcija je pronađena u retrovirusima, gdje se provodi pomoću enzima reverzne transkriptaze, au nekim slučajevima iu eukariotskim stanicama, na primjer, tijekom telomerne sinteze. Prijenos uživo provodi se samo u umjetnim uvjetima u izoliranom sustavu izvan stanice.

Bilo koji od tri moguća prijelaza genetske informacije s proteina na protein, RNA ili DNA smatra se nemogućim. Slučaj djelovanja priona na proteine, uslijed čega nastaje sličan prion, mogao bi se uvjetno pripisati tipu realizacije genetske informacije protein → protein. Međutim, formalno to nije tako, jer ne utječe na slijed aminokiselina u proteinu.

Zanimljiva je povijest nastanka pojma "središnja dogma". Budući da riječ dogma općenito označava tvrdnju koja nije podložna sumnji, a sama riječ ima jasnu vjersku konotaciju, odabir iste kao opisa znanstvene činjenice nije posve legitiman. Prema samom Francisu Cricku, to je bila njegova pogreška. Htio je iznesenoj teoriji dati veći značaj, razlikovati je od pozadine drugih teorija i hipoteza; zašto je odlučio upotrijebiti ovu veličanstvenu, po njegovom mišljenju, riječ, ne shvaćajući njezino pravo značenje. Ime se, međutim, zadržalo.

Molekularna biologija danas

Brz razvoj molekularne biologije, stalan interes društva za dostignuća u ovom području i objektivna važnost istraživanja doveli su do pojave velikog broja velikih istraživačkih centara molekularne biologije diljem svijeta. Među najvećima treba spomenuti: laboratorij za molekularnu biologiju u Cambridgeu, Kraljevski institut u Londonu - u Velikoj Britaniji; instituti za molekularnu biologiju u Parizu, Marseilleu i Strasbourgu, Institut Pasteur - u Francuskoj; odjeli za molekularnu biologiju na Sveučilištu Harvard i Institutu za tehnologiju Massachusetts, Sveučilištu Berkeley, Kalifornijskom institutu za tehnologiju, Sveučilištu Rockefeller, Institutu za javno zdravstvo u Bethesdi - u SAD-u; instituti Max Planck, sveučilišta u Göttingenu i Münchenu, Centralni institut za molekularnu biologiju u Berlinu, instituti u Jeni i Halleu - u Njemačkoj; Institut Karolinska u Stockholmu, Švedska.

U Rusiji su vodeći centri u ovom području Institut za molekularnu biologiju. Institut za molekularnu genetiku RAS, Institut za biologiju gena RAS, Institut za fizikalno-kemijsku biologiju nazvan po V.A. Moskovsko državno sveučilište A. N. Belozersky. Institut za biokemiju M.V. Lomonosov. A. N. Bach RAS i Institut za proteine ​​RAS u Pushchinu.

Danas područje interesa molekularnih biologa obuhvaća širok raspon temeljnih znanstvenih pitanja. Kao i do sada, vodeću ulogu zauzima proučavanje strukture nukleinskih kiselina i biosinteze proteina, proučavanje strukture i funkcija različitih unutarstaničnih struktura i staničnih površina. Također važna područja istraživanja su proučavanje mehanizama prijema i prijenosa signala, molekularnih mehanizama transporta spojeva unutar stanice te iz stanice u vanjski okoliš i natrag. Među glavnim smjerovima znanstvenih istraživanja u području primijenjene molekularne biologije, jedan od prioritetnih je problem nastanka i razvoja tumora. Također, vrlo važno područje, kojim se bavi Odsjek za molekularnu biologiju – molekularna genetika, je proučavanje molekularnih osnova nastanka nasljednih bolesti, te virusnih bolesti, poput AIDS-a, kao i razvoj metoda za njihovu prevenciju i, eventualno, liječenje na genskoj razini. Otkrića i razvoj molekularnih biologa u sudskoj medicini našli su široku primjenu. Pravu revoluciju u području osobne identifikacije napravili su 80-ih godina prošlog stoljeća znanstvenici iz Rusije, SAD-a i Velike Britanije zahvaljujući razvoju i implementaciji metode "genomic fingerprinting" - identifikacije DNK u svakodnevnoj praksi. Istraživanja u ovom području traju do danas. modernim metodama omogućuju vam da identificirate osobu s vjerojatnošću pogreške od jednog milijarditog dijela postotka. Već se aktivno razvija projekt genetske putovnice, koji će, kako se očekuje, uvelike smanjiti razinu kriminala.

Metodologija

Danas molekularna biologija ima opsežan arsenal metoda za rješavanje najnaprednijih i najsloženijih problema s kojima se znanstvenici suočavaju.

Jedna od najčešćih metoda u molekularnoj biologiji je gel elektroforeza, koji rješava problem razdvajanja smjese makromolekula po veličini ili naboju. Gotovo uvijek, nakon odvajanja makromolekula u gelu, koristi se blotting, metoda koja vam omogućuje prijenos makromolekula iz gela ( sorb) na površinu membrane radi praktičnosti daljnjeg rada s njima, posebno hibridizacije. Hibridizacija - stvaranje hibridne DNA od dva lanca različite prirode - metoda koja ima važnu ulogu u fundamentalna istraživanja. Koristi se za određivanje komplementarni segmenata u različitim DNK (DNK različiti tipovi), uz njegovu pomoć se traže novi geni, uz njegovu pomoć otkrivena je interferencija RNA, a njegov princip čini osnovu genomskog otiska prsta.

Važnu ulogu u suvremenoj praksi molekularno bioloških istraživanja ima metoda sekvenciranja – određivanje slijeda nukleotida u nukleinskim kiselinama i aminokiselina u proteinima.

Suvremena molekularna biologija ne može se zamisliti bez metode lančane reakcije polimerazom (PCR). Zahvaljujući ovoj metodi, provodi se povećanje broja (amplifikacija) kopija određene sekvence DNA kako bi se iz jedne molekule dobila dovoljna količina tvari za daljnji rad s njom. Sličan rezultat postiže se i tehnologijom molekularnog kloniranja, u kojoj se traženi nukleotidni niz uvodi u DNK bakterija (živi sustav), nakon čega se razmnožavanjem bakterija dolazi do željenog rezultata. Ovaj pristup je tehnički puno kompliciraniji, ali omogućuje istovremeno dobivanje rezultata ekspresije proučavanog nukleotidnog niza.

Također, metode ultracentrifugiranja (za odvajanje makromolekula (velikih količina), stanica, organela), elektronska i fluorescentna mikroskopija, spektrofotometrijske metode, analiza difrakcije X-zraka, autoradiografija i dr. imaju široku primjenu u molekularno-biološkim studijama.

Zahvaljujući tehnološkom napretku i znanstvenim istraživanjima u području kemije, fizike, biologije i informatike, suvremena oprema omogućuje izolaciju, proučavanje i promjenu pojedinih gena i procesa u kojima sudjeluju.