Комикс на конкурс «био/мол/текст»: Сегодня молекулярный биолог Пробирочка проведет вас по миру удивительной науки - молекулярной биологии! Мы начнем с исторического экскурса по этапам ее развития, опишем главные открытия и эксперименты, начиная с 1933 года. А также наглядно расскажем о главных методах молекулярной биологии, которые позволили манипулировать генами, изменять и выделять их. Появление этих методов послужило сильным толчком в развитии молекулярной биологии. А еще вспомним о роли биотехнологии и затронем одну из популярнейших тем в этой области - редактирование генома с помощью CRISPR/Cas-систем.

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» - .

Спонсор конкурса - компания «Диаэм» : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания .

«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »

1. Введение. Сущность молекулярной биологии

Изучает основы жизнедеятельности организмов на уровне макромолекул. Целью молекулярной биологии является установление роли и механизмов функционирования этих макромолекул на основе знаний об их структурах и свойствах.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих нуклеиновые кислоты и белки. В то время как биохимия исследует обмен веществ, химический состав живых клеток, организмов и осуществляемые в них химические процессы, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении механизмов передачи, воспроизведения и хранения генетической информации.

А объектом изучения молекулярной биологии являются сами нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновые (ДНК), рибонуклеиновые (РНК) - и белки, а также их макромолекулярные комплексы - хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биология также граничит по объектам исследования и частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, биохимией и рядом других смежных биологических наук.

2. Исторический экскурс по этапам развития молекулярной биологии

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

Впервые термин «молекулярная биология» применил в 1933 году Уильям Астбери в ходе исследования фибриллярных белков (коллагена, фибрина крови, сократительных белков мышц). Астбери изучал связь между молекулярной структурой и биологическими, физическими особенностями данных белков. На первых порах возникновения молекулярной биологии РНК считалась составляющей только растений и грибов, а ДНК - только животных. А в 1935 году открытие ДНК гороха Андреем Белозерским привело к установлению факта, что ДНК содержится в каждой живой клетке.

В 1940 году колоссальным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Тэйтемом причинно-следственной связи между генами и белками. Гипотеза ученых «Один ген - один фермент» легла в основу концепции о том, что специфичное строение белка регулируется генами. Полагается, что генетическая информация закодирована специальной последовательностью нуклеотидов в ДНК, которая регулирует первичную структуру белков. Позже было доказано, что многие белки имеют четвертичную структуру. В образовании таких структур принимают участие различные пептидные цепи. Исходя из этого, положение о связи между геном и ферментом было несколько преобразовано, и теперь звучит как «Один ген - один полипептид».

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери с коллегами (Колином Маклеодом и Маклином Маккарти) доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК, а не белки. Эксперимент послужил доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации, перечеркнув устаревшие знания о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сенгер показал, что белковая цепь - уникальная последовательность аминокислотных остатков. В 1951 и 1952 годах ученый определил полную последовательность двух полипептидных цепей - бычьего инсулина В (30 аминокислотных остатков) и А (21 аминокислотный остаток) соответственно.

Примерно в то же время, в 1951–1953 гг., Эрвин Чаргафф сформулировал правила о соотношении азотистых оснований в ДНК. Согласно правилу, вне зависимости от видовых различий живых организмов в их ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C).

В 1953 году доказана генетическая роль ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгенограммы ДНК, полученной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом , установили пространственную структуру ДНК и выдвинули подтвердившееся позднее предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.

1958 год - формирование центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсисом Криком: перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

Суть догмы состоит в том, что в клетках имеется определенный направленный поток информации от ДНК, которая, в свою очередь, представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Он записан в двойной спирали ДНК в виде последовательностей этих букв - нуклеотидов.

Этот текст транскрибируется. А сам процесс называется транскрипцией . В ходе данного процесса происходит синтез РНК, которая является идентичной генетическому тексту, но с отличием: в РНК вместо T стоит U (урацил).

Данная РНК называется информационной РНК (иРНК ), или матричной (мРНК ). Трансляция иРНК осуществляется при помощи генетического кода в виде триплетных последовательностей нуклеотидов. В ходе этого процесса происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного текста в двадцатибуквенный текст аминокислот.

Природных аминокислот существует всего двадцать, а букв в тексте нуклеиновых кислот четыре. Из-за этого происходит перевод из четырехбуквенного алфавита в двадцатибуквенный посредством генетического кода, в котором каждым трем нуклеотидам соответствует какая-либо аминокислота. Так можно сделать из четырех букв целые 64 трехбуквенные комбинации, притом что аминокислот 20. Из этого следует, что генетический код обязательно должен иметь свойство вырожденности. Однако в то время генетический код не был известен, к тому же его даже не начали расшифровывать, но Крик уже сформулировал свою центральную догму.

Тем не менее была уверенность в том, что код должен существовать. К тому времени было доказано, что этот код обладает триплетностью. Это означает, что конкретно три буквы в нуклеиновых кислотах (кодóны ) отвечают какой-либо аминокислоте. Этих кодонов всего 64, они кодируют 20 аминокислот. Это означает, что каждой аминокислоте отвечает сразу несколько кодонов.

Таким образом, можно сделать вывод, что центральная догма является постулатом, который гласит о том, что в клетке происходит направленный поток информации: ДНК → РНК → белок. Крик сделал акцент на главном содержании центральной догмы: обратного потока информации происходить не может, белок не способен изменять генетическую информацию.

В этом и заключается основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменять и преобразовывать информацию в ДНК (или РНК), поток всегда идет лишь в одну сторону.

Спустя время после этого был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы, - обратная транскриптаза , которая синтезирует ДНК по РНК. Фермент был открыт в вирусах, у которых генетическая информация закодирована в РНК, а не в ДНК. Такие вирусы называют ретровирусами. Они имеют вирусную капсулу с заключенными в нее РНК и специальным ферментом. Фермент и есть обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице этой вирусной РНК, а эта ДНК потом уже служит генетическим материалом для дальнейшего развития вируса в клетке.

Конечно, данное открытие вызвало большой шок и множество споров среди молекулярных биологов, поскольку считалось, что, исходя из центральной догмы, этого быть не может. Однако Крик сразу объяснил, что он никогда не говорил, что это невозможно. Он говорил лишь то, что никогда не может происходить поток информации от белка к нуклеиновым кислотам, а уже внутри нуклеиновых кислот любого рода процессы вполне возможны: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

После формулирования центральной догмы по-прежнему оставался ряд вопросов: как алфавит из четырех нуклеотидов, составляющих ДНК (или РНК), кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят белки? В чем состоит сущность генетического кода?

Первые идеи о существовании генетического кода сформулировали Александр Даунс (1952 г.) и Георгий Гамов (1954 г.). Ученые показали, что последовательность нуклеотидов должна включать в себя не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном (триплетом ). Тем не менее вопрос о том, какие нуклеотиды ответственны за включение какой аминокислоты в белковую молекулу, оставался открытым до 1961 года.

А в 1961 году Маршалл Ниренберг вместе с Генрих Маттеи использовали систему для трансляции in vitro . В роли матрицы взяли олигонуклеотид. В его состав входили только остатки урацила, а пептид, синтезированный с него, включал только аминокислоту фенилаланин. Таким образом впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин. Поле них Хар Корана выяснил, что последовательность нуклеотидов UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин-лейцин-серин-лейцин. По большому счету, благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был полностью разгадан. Выяснилось, что каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. А порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.

Главные принципы функционирования белков и нуклеиновых кислот сформулировали к началу 70-х годов. Было зафиксировано, что синтез белков и нуклеиновых кислот осуществляется по матричному механизму. Молекула-матрица несет закодированную информацию о последовательности аминокислот или нуклеотидов. При репликации или транскрипции матрицей служит ДНК, при трансляции и обратной транскрипции - иРНК.

Так были созданы предпосылки для формирования направлений молекулярной биологии, в том числе и генной инженерии. А в 1972 году Пол Берг с коллегами разработал технологию молекулярного клонирования. Ученые получили первую рекомбинантную ДНК in vitro . Эти выдающиеся открытия легли в основу нового направления молекулярной биологии, а 1972 год с тех пор считается датой рождения генной инженерии.

3. Методы молекулярной биологии

Колоссальные успехи в изучении нуклеиновых кислот, строении ДНК и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое значение в медицине, сельском хозяйстве и науке в целом.

После изучения генетического кода и основных принципов хранения, передачи и реализации наследственной информации для дальнейшего развития молекулярной биологии стали необходимы специальные методы. Эти методы позволили бы проводить манипуляции с генами, изменять и выделять их.

Появление таких методов произошло в 1970–1980-х годах. Это дало огромный толчок развитию молекулярной биологии. В первую очередь, эти методы напрямую связаны с получением генов и их внедрением в клетки других организмов, а еще с возможностью определения последовательности нуклеотидов в генах.

3.1. Электрофорез ДНК

Электрофорез ДНК является базовым методом работы с ДНК. Электрофорез ДНК применяется вместе почти со всеми остальными методами для выделения нужных молекул и дальнейшего анализа результатов. Сам метод электрофореза в геле используется для разделения фрагментов ДНК по длине.

Предварительно или после электрофореза гель обрабатывается красителями, которые способны связаться с ДНК. Красители флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, получается картина из полос в геле. Для определения длин фрагментов ДНК их можно сравнить с мáркерами - наборами фрагментов стандартных длин, которые наносятся на тот же гель.

Флуоресцентные белки

При исследовании эукариотических организмов в качестве генов-мáркеров сподручно использовать флуоресцентные белки. Ген первого зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP ) выделили из медузы Aqeuorea victoria , после чего внедрили в различные организмы. После выделяли гены флуоресцентных белков других цветов: синих, желтых, красных. Чтобы получить белки с интересующими свойствами, такие гены были модифицированы искусственно.

Вообще, важнейшими инструментами для работы с молекулой ДНК являются ферменты, осуществляющие ряд превращений ДНК в клетках: ДНК-полимеразы , ДНК-лигазы и рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы ).

Трансгенез

Трансгенезом называется перенос генов из одного организма в другой. А такие организмы называются трансгенными .

Рекомбинантные белковые препараты как раз получают методом переноса генов в клетки микроорганизмов. В основном такими белковыми препаратами являются интерфероны , инсулин , некоторые белковые гормоны, а также белки для производства ряда вакцин.

В иных случаях применяют клеточные культуры эукариот или трансгенных животных, по большей степени, скот, который выделяет нужные белки в молоко. Таким образом получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Метод трансгенеза используют для получения культурных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, а при помощи трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды.

Помимо всего перечисленного, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях, ведь развитие биологии происходит быстрее с применением методов модификации и переноса генов.

Рестриктазы

Распознаваемые рестриктазами последовательности являются симметричными, поэтому всякого рода разрывы могут происходить либо в середине такой последовательности, либо со сдвигом в одной или обеих нитях молекулы ДНК.

При расщеплении любой ДНК рестриктазой, последовательности на концах фрагментов будут одинаковыми. Они смогут снова соединяться, поскольку имеют комплементарные участки.

Получить единую молекулу можно, сшив данные последовательности при помощи ДНК-лигазы . За счет этого возможно объединять фрагменты двух разных ДНК и получать рекомбинантные ДНК.

3.2. ПЦР

В основе метода лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити так же, как при процессе репликации ДНК в клетке.

3.3. Секвенирование ДНК

Стремительное развитие метода секвенирования позволяет эффективно определять особенности исследуемого организма на уровне его генома. Главным преимуществом таких геномных и постгеномных технологий является увеличение возможностей исследования и изучения генетической природы заболеваний человека, для того чтобы заранее принять необходимые меры и избежать болезней.

За счет крупных исследований возможно получать необходимые данные о различных генетических характеристиках разных групп людей, тем самым развивая методы медицины. Из-за этого выявление генетической расположенности к различным заболеваниям сегодня пользуется огромной популярностью.

Подобные методы широко применимы практически во всем мире, в том числе и в России. Из-за научного прогресса происходит внедрение таких методов в медицинские исследования и медицинскую практику в целом.

4. Биотехнология

Биотехнология - дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов или их систем для решения технологических задач, а еще создания живых организмов с нужными свойствами путем генной инженерии. Биотехнология применяет методы химии, микробиологии, биохимии и, конечно же, молекулярной биологии.

Основные направления развития биотехнологии (принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей):

1. Создание и производство новых видов продуктов питания и кормов для животных.
2. Получение и изучение новых штаммов микроорганизмов.
3. Выведение новых сортов растений, а также создание средств для защиты растений от болезней и вредителей.
4. Применение методов биотехнологии для нужд экологии. Такие методы биотехнологии используют для переработки утилизации отходов, очистки сточных вод, отработанного воздуха и санации почв.
5. Изготовление витаминов, гормонов, ферментов, сывороток для нужд медицины. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, которые ранее считались неизлечимыми.

Крупным достижением биотехнологии является генная инженерия.

Генная инженерия - совокупность технологий и методов получения рекомбинантных молекул РНК и ДНК, выделения отдельных генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы (бактерий, дрожжи, млекопитающих). Такие организмы способны производить конечные продукты с нужными, измененными свойствами.

Методы генной инженерии направлены на конструирование новых, ранее не существовавших сочетаний генов в природе.

Говоря о достижениях генной инженерии, невозможно не затронуть тему клонирования. Клонирование - это один из методов биотехнологии, применяемый для получения идентичных потомков различных организмов при помощи бесполого размножения.

Иными словами, клонирование можно представить как процесс создания генетически идентичных копий организма или клетки. А клонированные организмы похожи или вовсе идентичны не только по внешним признакам, но и по генетическому содержанию.

Небезызвестная овечка Долли в 1966 году стала первым клонированным млекопитающим. Она была получена за счет пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Долли являлась генетической копией овцы-донора ядра клетки. В естественных условиях особь формируется из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив по половине генетического материала от двух родителей. Однако при клонировании генетический материал взяли из клетки одной особи. Сначала из зиготы удалили ядро, в котором находится сама ДНК. После чего извлекли ядро из клетки взрослой особи овцы и имплантировали его в ту лишенную ядра зиготу, а затем ее пересадили в матку взрослой особи и предоставили возможность для роста и развития.

Тем не менее не все попытки клонирования оказывались удачными. Параллельно с клонированием Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках. Но только в одном случае смогло полноценно развиться и вырасти живое взрослое животное. После Долли ученые пробовали клонировать и другие виды млекопитающих.

Одним их видов генной инженерии является редактирование генома.

Инструмент CRISPR/Cas базируется на элементе иммунной защитной системы бактерий, который ученые приспособили для внедрения каких-либо изменений в ДНК животных или растений.

CRISPR/Cas является одним из биотехнологических методов манипулирования отдельными генами в клетках. Существует огромное множество применений такой технологии. CRISPR/Cas позволяет исследователям выяснять функцию разных генов. Для этого нужно просто вырезать исследуемый ген из ДНК и изучить, какие функции организма были затронуты.

Некоторые практические применения системы:

1. Сельское хозяйство. За счет CRISPR/Cas-систем можно усовершенствовать сельскохозяйственные культуры. А именно, сделать их более вкусными и питательными, а также устойчивыми к жаре. Возможно наделить растения и другими свойствами: к примеру, вырезать из орехов (арахиса или фундука) ген аллергена.
2. Медицина, наследственные заболевания. У ученых есть цель применять CRISPR/Cas для удаления из человеческого генома мутаций, из-за которых могут развиваться заболевания, такие, как серповидноклеточная анемия и др. В теории, за счет CRISPR/Cas можно останавливать развитие ВИЧ.
3. Генный драйв. CRISPR/Cas может изменять не только геном отдельного животного или растения, но также и генофонд вида. Данная концепция известна как «генный драйв » . Всякий живой организм передает своему потомству половину генов. Но использование CRISPR/Cas может повышать вероятность передачи генов до 100%. Это важно для того, чтобы нужный признак быстрее распространился во всей популяции.

Швейцарские ученые значительно усовершенствовали и модернизировали метод редактирования генома CRISPR/Cas, тем самым расширив его возможности. Тем не менее ученые могли модифицировать только один ген за раз, используя CRISPR/Cas-систему. Но сейчас исследователи Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали метод, с помощью которого возможно одновременно модифицировать 25 генов в клетке.

Для новейшей методики специалисты использовали фермент Cas12a . Генетики впервые в истории успешно клонировали обезьян . «Популярная механика» ;

Николенко С. (2012). Геномика: постановка задачи и методы секвенирования . «Постнаука» .

Молекулярная биология / м ə л ɛ к J ʊ л ər / является ветвью биологии , что касается молекулярной основы биологической активности между биомолекул в различных системах клетки , в том числе взаимодействий между ДНК , РНК , белков и их биосинтеза , а также регулирование этих взаимодействий. Запись в природе в 1961 году, Астбери описал молекулярную биологию:

Не столько техника, как подход, подход с точки зрения так называемых фундаментальных наук с ведущей идеей поиска ниже крупномасштабных проявлений классической биологии для соответствующего молекулярного плана. Он обеспокоен тем, в частности, с формами биологических молекул и [...] преимущественно трехмерным и структурно - что не означает, однако, что это всего лишь уточнение морфологии. Он должен в то же время исследовать генезис и функции.

Отношение к другим биологическим наукам

Исследователи в области молекулярной биологии используют специфические методы произрастающих молекулярной биологии, но все больше и больше комбинировать их с методами и идеями от генетики и биохимии . Существует не определенная грань между этими дисциплинами. Это показано на следующей схеме, которая изображает один возможный вид отношений между полями:

• Биохимия является изучение химических веществ и жизненно важных процессовпроисходящих в живых организмах . Биохимики тяжело сосредоточиться на роли, функции и структуры биомолекул . Изучение химии за биологических процессов и синтеза биологически активных молекулявляются примерами биохимии .
• Генетика является изучение влияния генетических различий в организмах. Это часто может быть выведенотсутствии нормальной компоненты (напримеродин ген). Изучение « мутанты » - организмыкоторыеимеют один или более функциональные компоненты по отношению к так называемому « дикому типу » или нормальному фенотипу . Генетические взаимодействия ( эпистаз) часто путают простые интерпретации таких « нокаут » исследования.
• Молекулярная биология является изучение молекулярных основ процессов репликации , транскрипции , трансляции и функции клеток. Центральная догма молекулярной биологии , где генетический материал транскрибируется в РНК и затем транслируется в белок , несмотрятоупрощенно,прежнему обеспечивает хорошую начальную точку для понимания поля. Картина была пересмотрена в свете возникающих новых ролей для РНК .

Методы молекулярной биологии

Молекулярное клонирование

Одним из самых основных методов молекулярной биологии для изучения функции белка является молекулярным клонированием . В этой технике, ДНК, кодирующий белок, представляющего интерес, клонированной с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), и / или ферменты рестрикции в плазмиде (вектора экспрессии ,). Вектор имеет 3 отличительные особенности: начало репликации, а сайт множественного клонирования (MCS), и селективный маркер, как правило, с устойчивостью к антибиотикам . Расположенные выше сайт множественного клонирования являются промоторными областями и транскрипции сайта инициации, которые регулируют экспрессию клонированного гена. Эта плазмида может быть вставлена в либо бактериальные или животных клеток. Введение ДНК в бактериальные клетки может быть сделано путем трансформации с помощью поглощения голой ДНК, конъюгаций с помощью межклеточных контактов или путем трансдукции с помощью вирусного вектора. Введение ДНК в эукариотические клетки, такие как клетки животных, с помощью физических или химических средств, называется трансфекцией . Несколько различных методов трансфекции доступны, такие как фосфат кальция трансфекции, электропорации , микроинъекции и липосомальной трансфекции . Плазмида может быть интегрирована в геном , что приводит к стабильной трансфекции, или может оставаться независимыми от генома, называемого переходными процессы трансфекции.

ДНК, кодирующие белки, представляющего интереса, в настоящее время внутри клетки, и белки , теперь могут быть выражены. Разнообразные системы, такие как индуцибельные промоторы и специфических клеточных сигнальных факторов, которые помогут выразить интерес белок на высоких уровнях. Большие количества белка могут быть затем извлечены из бактериальной или эукариотической клетки. Белок может быть проверен на ферментативную активность при различных ситуациях, белка можно кристаллизовать поэтому его третичная структура может быть изучена, или, в фармацевтической промышленности, активность новых препаратов против белка может быть изучена.

Полимеразной цепной реакции

Макромолекулы-блоттинга и исследование

Термины северный , западный и восточный блоттинг получает из, что первоначально была молекулярная биология шутка, которая играла на термине Саузернет , после методики, описанной Edwin Southern для гибридизации BLOTTED ДНК. Патриция Томас, разработчик РНК - блоттинга, который затем стал известен как северному - блоттинга , на самом деле не использовать этот термин.

Саузернблоттинг

Названный в честь его изобретателя, биолог Эдвин Южный , то Саузерн - блот представляет собой метод для исследования на наличие специфической последовательности ДНК в образце ДНК. Образцы ДНК до или после фермента рестрикции (рестриктаз) перевариваний разделены с помощью электрофореза в геле, а затем переносили на мембрану с помощью блоттинга с помощью капиллярного действия . Мембрану затем подвергают воздействию меченого ДНК - зонда, который имеет последовательность оснований дополнением к последовательности на ДНК, представляющей интерес. Саузерн - блоттинг менее широко используется в научной лаборатории из - за способности других методов, таких как ПЦР , для обнаружения специфических последовательностей ДНК из образцов ДНК. Эти блоты все еще используются для некоторых применений, однако, таких как измерение трансгена числа копий в трансгенных мышах или в инженерии гена нокаутных линий эмбриональных стволовых клеток .

Северный блоттинга

Northern блот диаграмма

Восточно-блоттинга

Клинические исследования и медицинские методы лечения, вытекающие из молекулярной биологии, частично охвачены генной терапии . Применение молекулярной биологии или молекулярных клеточная биология подходов в медицине теперь называется молекулярной медициной . Молекулярная биология также играет важную роль в понимании образования, действий и нормативных актов различных частей клеток , которые могут быть использованы для эффективных предназначаться новые лекарства , болезнь диагноза и понять физиологию клетки.

дальнейшее чтение

• Cohen, SN, Чанг, НКД, Бойер, H. & Heling, RB Конструирование биологически функциональных бактериальных плазмид в пробирке .

Можно сказать, что молекулярная биология исследует проявления жизни на неживых структурах или системах с элементарными признаками жизнедеятельности (которыми могут быть отдельные биологические макромолекулы, их комплексы или органеллы), изучая, каким образом ключевые процессы, характеризующие живую материю, реализуются посредством химических взаимодействий и превращений.

Выделение молекулярной биологии из биохимии в самостоятельную область науки продиктовано тем, что её главной задачей является изучение структуры и свойств биологических макромолекул, участвующих в различных процессах, выяснение механизмов их взаимодействия. Биохимия же занимается изучением собственно процессов жизнедеятельности, закономерностей их протекания в живом организме и превращений молекул, сопровождающих эти процессы. В конечном счёте, молекулярная биология пытается ответить на вопрос, зачем происходит тот или иной процесс, тогда как биохимия отвечает на вопросы где и как с точки зрения химии происходит рассматриваемый процесс.

История

Молекулярная биология как отдельное направление биохимии начала формироваться в 30-х годах прошлого столетия. Именно тогда для углублённого понимания феномена жизни возникла необходимость в целенаправленных исследованиях на молекулярном уровне процессов хранения и передачи наследственной информации в живых организмах. Тогда и определилась задача молекулярной биологии в изучении структуры, свойств и взаимодействия нуклеиновых кислот и белков. Термин «молекулярная биология» был впервые употреблен английским учёным Уильямом Астбери в контексте исследований, касавшихся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц.

На заре возникновения молекулярной биологии РНК считалась компонентом растений и грибов, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток. Первым исследователем, доказавшим, что ДНК содержится в растениях, был Андрей Николаевич Белозерский , выделивший в 1935 году ДНК гороха. Это открытие установило тот факт, что ДНК является универсальныой нуклеиновой кислотой, присутствующей в клетках растений и животных.

Серьёзным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Татумом прямой причинно-следственной связи между генами и белками. В своих экспериментах они подвергали клетки нейроспоры (Neurospora crassa ) ретгеновскому облучению, вызывавшему мутации. Полученные результаты показали, что это приводило к изменению свойств специфических ферментов.

В 1940 году Альбер Клод выделил из цитоплазмы животных клеток цитоплазматические РНК-содержащие гранулы, которые были меньше митохондрий. Он назвал их микросомами. Впоследствии при исследовании структруы и свойств выделенных частиц была установлена их основополагающая роль в процессе биосинтеза белка. В 1958 году на первом симпозиуме, посвящённом этим частицам, было принято решение называть эти частицы рибосомами.

Ещё одним важным шагом в развитии молекулярной биологии стали опубликованные в 1944 г. данные эксперимента Освальда Эвери, Колина МакЛауда и Маклина МакКарти, показавшие, что причиной трансформации бактерий является ДНК. Это было первое экспериментальное доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации, развенчавшее бытовавшее ранее представление о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сэнгер показал, что белковая цепь является уникальной последовательностью аминокислотных остатков. В конце 50-х годов Макс Перуц и Джон Кендрю расшифровали пространственное строение первых белков. Уже в 2000 году были известны сотни тысяч природных аминокислотных последовательностей и тысячи пространственных структур белков.

Примерно в то же время исследования Эрвина Чаргаффа позволили ему сформулировать правила, описывающие соотношение азотистых оснований в ДНК (правила гласят, что независимо от видовых различий в ДНК количество гуанина равно количеству цитозина, а количество аденина равно количеству темина), что помогло в дальнейшем сделать величайший прорыв в молекулярной биологии и одно из величайших открытий в биологии вообще.

Это событие произошло в 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик , основываясь на работах Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса по рентгено-структурному анализу ДНК, установили двухспиральную структуру молекулы ДНК. Это открытие позволило ответить на принципиальный вопрос о способности носителя наследственной информации к самовоспроизведению и понять механизм передачи такой информации. Этими же учеными был сформулирован принцип комплементарности азотистых оснований, имеющий ключевое значение для понимания механизма образования надмолекулярных структур. Это принцип, применяемый теперь для описания всех молекулярных комплексов, позволяет описывать и предсказывать условия возникновения слабых (невалентных) межмолекулярных взаимодействий, обуславливающих возможность формирования вторичной, третичной и т.д. структуры макромолекул, протекания самосборки надмолекулярных биологических систем, определяющих столь большое разнообразие молекулярных структур и их функциональных наборов. Тогда же, в 1953 году возник научный журнал Journal of Molecular Biology. Его возглавил Джон Кендрю, сферой научных интересов которого было исследование структуры глобулярных белков (Нобелевская премия 1962 года совместно с Максом Перуцем). Аналогичный русскоязычный журнал под названием «Молекулярная биология» был основан в СССР В. А. Энгельгардтом в 1966 году.

В 1958 году Фрэнсис Крик сформулировал т.н. центральнаю догму молекулярной биологии: представление о необратимости потока генетической информации от ДНК через РНК к белкам по схеме ДНК→ДНК (репликация, создание копии ДНК), ДНК→РНК (транскрипция , копирование генов), РНК→ белок (трансляция, декодирование информации о структуре белков). Эта догма в 1970 году была несколько поправлена с учётом накопленных знаний, поскольку было открыто явление обратной транскрипции независимо Ховардом Темином и Дэвидом Балтимором: был обнаружен фермент - ревертаза, отвечающий за осуществление обратной транскрипции - образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК, которое происходит у онкогенных вирусов. Следует отметить, что строгая необходимость потока генетической информации от нуклеиновых кислот к белкам до сих пор остаётся основой молекулярной биологии.

В 1957 году Александр Сергеевич Спирин совместно с Андреем Николаевичем Белозерским показали, что, при существенных различиях в нуклеотидном составе ДНК из разных организмов, состав суммарных РНК сходен. На основании этих данных они пришли к сенсационному заключению о том, что суммарная РНК клетки не может выступать в качестве переносчика генетической информации от ДНК к белкам, поскольку не соответствует ей по своему составу. Вместе с тем они заметили, что существует минорная фракция РНК, которая полностью соответствует по своему нуклеотидному составу ДНК и которая может быть истинным переносчиком генетической инфрмации от ДНК к белкам. В результате они предсказали существование относительно небольших молекул РНК, являющихся по строению аналогами отдельных участков ДНК и выполняющих роль посредников при передаче генетической информации, содержащейся в ДНК, в рибосому, где с использованием этой информации осуществляется синтез белковых молекул. В 1961 году (С. Бреннер , Ф. Жакоб , М. Месельсон с одной стороны и Ф. Гро, Франсуа Жакоб и Жак Моно первыми получили опытное подтверждение существования таких молекул - информационной (матричной) РНК. Тогда же они разработали концепцию и модель функциональной единицы ДНК - оперона, которая позволила объяснить, как именно осуществляется регуляция экспрессии генов у прокариот. Исследование механизмов биосинтеза белка и принципов структурной организации и работы молекулярных машин - рибосом - позволило сформулировать постулат, описывающий движение генетической информации, называемый центральной догмой молекулярной биологии: ДНК - иРНК - белок.

В 1961 году и в течение последующих нескольких лет Хайнрихом Маттэем и Маршаллом Ниренбергом, а затем Харом Кораной и Робертом Холли были проведены несколько работ по расшифровке генетического кода, в результате которых была установлена непосредственная взаимосвязь между структурой ДНК и синтезируемыми белками и определена последовательность нуклеотидов, определяющая набор аминокислот в белке. Также были получены данные об универсальности генетического кода. Открытия были отмечены нобелевской премией 1968 года.

Для развития современных представлений о функциях РНК решающим было открытие некодирующих РНК, сделанное по результатам работ Александра Сергеевича Спирина совместно с Андреем Николаевичем Белозерским 1958 года, Чарльзом Бреннером с соавторами и Солом Шпигельманом 1961 года. Этот вид РНК составляют основную часть клеточных РНК. К некодирующим в первую очередь относятся рибосомные РНК.

Серьёзное развитие получили способы культивирования и гибридизации животных клеток. В 1963 году Франсуа Жакобом и Сиднеема Бреннером были сформулированы представления о репликоне - последовательности неотъемлемо реплицирующихся генов, объясняющей важные аспекты регуляции репликации генов.

В 1967 году в лаборатории А. С. Спирина было впервые продемонстрировано, что форма компактно свёрнутой РНК определяет морфологию рибосомной частицы.

В 1968 году было сделано значительное фундаментальное открытие. Оказаки, обнаружив фрагменты ДНК отстающей цепи при исследовании процесса репликации, названные в честь неё фрагментами Оказаки, уточнила механизм репликации ДНК.

В 1970 году независимо Ховардом Темином и Дэвидом Балтимором было сделано значительное открытие: был обнаружен фермент - ревертаза, отвечающий за осуществление обратной транскрипции - образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК, которое происходит у онкогенных вирусов, содержащих РНК.

Ещё одним важным достижением молекулярной биологии стало объяснение механизма мутаций на молекулярном уровне. В результате серии исследований были установлены основные типы мутаций: дупликации, инверсии, делеции, транслокации и транспозиции. Это дало возможность рассматривать эволюционные изменения с точки зрения генных процессов, позволило разработать теорию молекулярных часов, которая применяется в филогении.

К началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме. Было установлено, что белки и нуклеиновые кислоты в организме синтезируются по матричному механизму, молекула-матрица несёт в себе зашифрованную информацию о последовательности аминокислот (в белке) или нуклеотидов (в нуклеиновой кислоте). При репликации (удвоении ДНК) или транскрипции (синтезе иРНК) такой матрицей служит ДНК, при трансляции (синтезе белка) или обратной транскрипции - иРНК.

Таким образом, были созданы теоретические предпосылки для развития прикладных направлений молекулярной биологии, в частности, генетической инженерии . В 1972 году Пол Берг , Герберт Боер и Стэнли Коэн разработали технологию молекулярного клонирования. Тогда ими впервые была получена в пробирке рекомбинантная ДНК. Эти выдающиеся эксперименты заложили основы генетической инженерии, а этот год считается датой рождения этого научного направления.

В 1977 году Фредерик Сэнгер, и независимо Аллан Максам и Уолтер Гилберт разработали различные методы определения первичной структуры (секвенирования) ДНК. Метод Сэнгера, так называемый метод обрыва цепи, является основой современного метода секвенирования. Принцип секвенирования основан на использовании меченых оснований, выступающих в качестве терминаторов в циклической реакции секвенирования. Этот метод получил широкое распространение благодаря возможности быстро проводить анализ.

1976 г. - Фредерик. Сэнгер расшифровал нуклеотидную последовательность ДНК фага φΧ174 длиной 5375 нуклеотидных пар.

1981 г. - серповидноклеточная анемия становится первой генетической болезнью, диагностируемой с помощью анализа ДНК.

1982-1983 открытие каталитической функции РНК в американских лабораториях Т. Чека и С. Олтмана изменило существовавшее представления об исключительной роли белков. По аналогии с каталитическими белками - энзимами, каталитические РНК были названы рибозимами.

1987 год Кери Мюллез открыл полимеразную цепную реакцию, благодаря которой возможно искусственно значительно увеличить количество молекул ДНК в растворе для дальнейшей работы. На сегодняшний день это один из наиболее важных методов молекулярной биологии, применяющийся при исследовании наследственных и вирусных заболеваний, при изучении генов и при генетическом установлении личности и установлении родства и т.п.

В 1990 году одновременно тремя группами учёных был опубликован метод, позволявший быстро получать в лаборатории синтетические функционально активные РНК (искусственные рибозимы или молекулы, взаимодействующие с различными лигандами - аптамеры). Этот метод получил название «эволюция в пробирке». А вскоре после этого, в 1991-1993 года в лаборатории А.Б. Четверина была экспериментально показана возможность существования, роста и амплификации молекул РНК в форме колоний на твёрдых средах.

В 1998 году практически одновременно Крейг Мелло и Эндрю Фаер описали наблюдавшийся ранее при генных экспериментах с бактериями и цветами механизм РНК-интерференции , при котором небольшая двухцепочечная молекула РНК приводит к специфичному подавлению экспрессии гена.

Открытие механизма РНК-интерференции имеет очень важное практическое значение для современной молекулярной биологии. Это явление широко используется в научных экспериментах в качестве инструмента для «выключения», то есть, подавления экспрессии отдельных генов. Особый интерес вызван тем, что этот способ позволяет осуществлять обратимое (временное) подавление активности изучаемых генов. Ведутся исследования возможности применения этого явления для лечения вирусных, опухолевых, дегенеративных и метаболических заболеваний. Следует отметить, что в 2002 году были открыты мутанты вирусы полиомиелита, способные избегать РНК-интерференции, поэтому требуется ещё кропотливая работа для разработки действительно эффективных методов лечения на основе этого явления.

В 1999-2001 годах несколькими группами исследователей определена с разрешением от 5,5 до 2,4 ангстрем структура бактериальной рибосомы.

Предмет

Достижения молекулярной биологии в познании живой природы трудно переоценить. Больших успехов удалось достичь благодаря удачной концепции исследований: сложные биологические процессы рассматриваются с позиции отдельных молекулярных систем, что позволяет применять точные физико-химические методы исследования. Это также привлекло в эту область науки много великих умов из смежных направлений: химии, физики, цитологии, вирусологии , что также благотворно повлияло на масштабы и скорость развития научных знаний в этой области. Столь значимые открытия, как определение структуры ДНК, расшифровка генетического кода, искусственная направленная модификация генома, позволили значительно глубже понять специфику процессов развития организмов и успешно решать многочисленные важнейшие фундаментальные и прикладные научные, медицинские и социальные задачи, которые ещё не так давно считались неразрешимыми.

Предметом изучения молекулярной биологии являются в основном белки, нуклеиновые кислоты и молекулярные комплексы (молекулярные машины) на их основе и процессы, в которых они участвуют.

Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимеры, состоящие из нуклеотидных звеньев (соединений пятичленного сахара с фосфатной группой при пятом атоме цикла и одного из четырёх азотистых оснований), соединённых между собой сложноэфирной связью фосфатных групп. Таким образом, нуклеиновая кислота - это пентозофосфатный полимер с азотистыми основаниями в качестве боковых заместителей. Химический состав цепочки РНК отличается от ДНК тем, что первая состоит из пятичленного цикла углевода рибозы, тогда как вторая - из дегидрокслилированного производного рибозы - дезоксирибозы. При этом пространственно эти молекулы различаются кардинально, поскольку РНК - это гибкая одноцепочечная молекула, тогда как ДНК - это двуцепочечная молекула.

Белки - это линейные полимеры, представляющие собой цепочки альфа-аминокислот, соединённых между собой пептидной связью, откуда их второе название - полипептиды. В состав природных белков входит множество различных аминокислотных звеньев - у человека до 20 -, что определяет широкое разнообразие функциональных свойств этих молекул. Те или иные белки принимают участие почти в каждом процессе в организме и выполняют множество задач: играют роль клеточного строительного материала, обеспечивают транспорт веществ и ионов, катализируют химические реакции, - список этот очень длинный. Белки образуют устойчивые молекулярные конформации различного уровня организации (вторичные и третичные структуры) и молекулярные комплексы, что ещё больше расширяет их функционал. Эти молекулы могут обладать высокой специфичностью к выполнению каких-либо задач благодаря образованию сложной пространственной глобулярной структуры. Большое разнообразие белков обеспечивает постоянный интерес учёных к этому виду молекул.

Современные представления о предмете молекулярной биологии основаны на обобщении, выдвинутом впервые в 1958 году Фрэнсисом Криком как центральная догма молекулярной биологии. Суть её заключалась в утверждении, что генетическая информация в живых организмах проходит строго определённые этапы реализации: копирование из ДНК в ДНК входе наследования, из ДНК в РНК, а затем из РНК в белок, причём обратный переход не осуществим. Это утверждение было справедливо лишь от части, поэтому впоследствии центральная догма была поправлена с оглядкой на открывшиеся новые данные.

На данный момент известно несколько путей реализации генетического материала, представляющих различные последовательности осуществления трёх видов существования генетической информации: ДНК, РНК и белок. В девяти возможных путях реализации выделяют три группы: это три общих превращения (general), осуществляющиеся в норме в большинстве живых организмов; три особых превращения(special), осуществляющиеся в некоторых вирусах или в особых лабораторных условиях; три неизвестных превращения (unknown), осуществление которых, как считается, невозможно.

К общим превращениям относятся следующие пути реализации генетического кода: ДНК→ДНК (репликация), ДНК→РНК (транскрипция), РНК→белок (трансляция).

Для осуществления передачи наследственных признаков родителям необходимо передать потомкам полноценную молекулу ДНК. Процесс, благодаря которому на основе исходной ДНК может быть синтезирована её точная копия, а следовательно, может быть передан генетический материал, называется репликацией. Он осуществляется специальными белками, которые распутывают молекулу (выпрямляют её участок), расплетают двойную спираль и при помощи ДНК-полимеразы создают точную копию исходной молекулы ДНК.

Для обеспечения жизнедеятельности клетки ей необходимо постоянно обращаться к генетическому коду, заложенному в двойной спирали ДНК. Однако эта молекула слишком велика и неповоротлива для применения её в качестве непосредственного источника генетического материала для непрерывного синтеза белка. Поэтому в ходе реализации информации, заложенной в ДНК, есть посредническая стадия: синтез иРНК, представляющей собой небольшую одноцепочечную молекулу, комплементарную определённому отрезку ДНК, кодирующему некоторый белок. Процесс транскрипции обеспечивается РНК-полимеразой и факторами транскрипции. Полученная молекула затем может быть легко доставлена в отдел клетки, ответственный за синтез белка - рибосому.

После попадания и РНК в рибосому наступает заключительная стадия реализации генетической информации. При этом рибосома считывает с иРНК генетический код триплетами , называющимися кодонами и синтезирует на основе получаемой информации соответствующий белок.

В ходе особых превращений генетический код реализуется по схеме РНК→РНК (репликация), РНК→ДНК (обратная транскрипция), ДНК→белок (прямая трансляция). Репликация такого вида реализуется во многих вирусах, где она осуществляется ферментом РНК-зависимой РНК-полимеразой. Аналогичные ферменты находятся и в клетках эукариот, где они связаны с процессом РНК-глушения (silencing). Обратная транскрипция обнаружена в ретровирусах, где она осуществляется под действием фермента обратной транскриптазы, а также в некоторых случаях в эукариотических клетках, например, при теломерном синтезе. Прямая трансляция осуществляется только в искусственных условиях в изолированной системе вне клетки.

Любой из трех возможных переходов генетической информации из белка в белок, РНК или ДНК считается невозможным. Случай воздействия прионов на белки, в результате которого образуется аналогичный прион, условно можно было бы отнести к виду реализации генетической информации белок→белок. Тем не менее, формально он таковым не является, поскольку не затрагивает аминокислотную последовательность в белке.

Любопытна история возникновения термина «центральная догма». Поскольку слово догма в общем случае означает утверждение, которое не подлежит сомнению, а само слово имеет явный религиозный подтекст, выбор его в качестве описания научного факта не совсем правомерен. По признанию самого Фрэнсиса Крика, это была его ошибка. Он хотел придать выдвигаемой теории большей значимости, выделить её на фоне остальных теорий и гипотез; для чего решил использовать это величественное, по его представлению, слово, не понимая его истинного смысла. Название это, однако, прижилось.

Молекулярная биология сегодня

Бурное развитие молекулярной биологии, постоянный интерес к достижениям в этой области со стороны общества и объективная важность исследований привели к возникновению большого числа крупных научно-исследовательских центров молекулярной биологии по всему миру. Среди крупнейших следует упомянуть следующие: лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский институт в Лондоне - в Великобритании; институты молекулярной биологии в Париже, Марселе и Страсбурге, Пастеровский институт - во Франции; отделы молекулярной биологии в Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте, университете в Беркли, в Калифорнийском технологическом институте, в Рокфеллеровском университете, в институте здравоохранения в Бетесде - в США; институты Макса Планка, университеты в Гёттингене и Мюнхене, Центральный институт молекулярной биологии в Берлине, институты в Йене и Халле - в Германии; Каролинский институт в Стокгольме в Швеции.

В России ведущими центрами в этой области являются Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН, Институт молекулярной генетики РАН, Институт биологии гена РАН, Институт физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ им. М.В.Ломоносова, Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН и Институт белка РАН в Пущино.

Сегодня область интересов молекулярных биологов охватывает широкий спектр фундаментальных научных вопросов. По-прежнему ведущую роль занимает изучение структуры нуклеиновых кислот и биосинтеза белка, исследования строения и функций различных внутриклеточных структур, и клеточных поверхностей. Также важными направления исследований являются изучение механизмов рецепции и передачи сигналов, молекулярных механизмов транспорта соединений внутри клетки а также из клетки во внешнюю среду и обратно. Cреди основных направлений научного поиска в области прикладной молекулярной биологии одной из наиболее приоритетных является проблема возникновения и развития опухолей. Также очень важным направлением, изучением которого занимается раздел молекулярной биологии - молекулярная генетика, является изучение молекулярных основ возникновения наследственных заболеваний, и вирусных заболеваний, например, СПИДа, а также разработка способов их предупреждения и, возможно, лечения на генном уровне. Широкое применение нашли открытия и разработки молекулярных биологов в судебной медицине. Настоящая революция в области идентификации личности была сделана в 80-х годах учёными из России, США и Великобритании благодаря разработке и внедрению в повседневную практику метода «геномной дактилоскопии» - установления личности по ДНК. Исследования в этой области не прекращаются и по сей день, современные методы позволяют устанавливать личность с вероятностью ошибки одна миллиардная процента. Уже сейчас идёт активная разработка проекта генетического паспорта, что, как предполагается, позволит сильно снизить уровень преступности.

Методология

Сегодня молекулярная биология располагает обширным арсеналом методов, позволяющих решать самые передовые и самые сложные задачи, стоящие перед учёными.

Одним из самых распространённых методов в молекулярной биологии является гель-электрофорез , который решает задачи разделения смеси макромолекул по размеру или по заряду. Почти всегда после разделения макромолекул в геле применяется блоттинг , метод, позволяющий переносить макромолекулы из геля (сорбировать ) на поверхность мембраны для удобства дальнейшей работы с ними, в частности гибридизации . Гибридизация - формирование гибридной ДНК из двух цепей, имеющих различную природу, - метод, играющий важную роль в фундаментальных исследованиях. Он применяется для определения комплементарных отрезков в разных ДНК (ДНК разных видов), с его помощью происходит поиск новых генов, с его помощью была открыта РНК интерференция, а его принцип лёг в основу геномной дактилоскопии.

Большую роль в современной практике молекулярно-биологических исследований играет метод секвенирования - определения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах и аминокислот в белках.

Современную молекулярную биологию невозможно представить без метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Благодаря этому методу осуществляется увеличение количества (амплификация) копий некоторой последовательности ДНК, чтобы позволяет получить из одной молекулы достаточное количество вещества для дальнейшей работы с ним. Аналогичный результат достигается технологией молекулярного клонирования, в которой требующаяся нуклеотидная последовательность внедряется в ДНК бактерии (живых систем), после чего размножение бактерий приводит к необходимому результату. Этот подход технически значительно сложнее, однако позволяет одновременно получать результат экспрессии исследуемой нуклеотидной последовательности.

Также в молекулярно-биологических исследованиях широко применяются методы ультрацентрифугирование (для разделения макромолекул (больших количеств), клеток, органелл), методы электронной и флуоресцентной микроскопии, спектрофотометрические методы, рентгеноструктурный анализ, авторадиография, и т.п.

Благодаря техническому прогрессу и научным изысканиям в области химии, физики, биологии и информатики современное оборудование позволяет выделять, изучать и изменять отдельные гены и процессы, в которые они вовлечены.

Молекулярная биология

наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров (См. Биополимеры) - белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта М. б. - изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее - системы, стоящие на границе живой и неживой природы, - вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи - нуклеиновых кислот (См. Нуклеиновые кислоты) и белков (См. Белки).

М. б. - новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией (См. Биохимия), биофизикой (См. Биофизика) и биоорганической химией (См. Биоорганическая химия). Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно связана с молекулярной генетикой (См. Молекулярная генетика), которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Вычленение М. б. из биохимии продиктовано следующими соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных химических веществ при определённых биологических функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об основных чертах химического строения, выражаемого обычной химической формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химические связи. Между тем, как было подчёркнуто Л. Полинг ом, в биологических системах и проявлениях жизнедеятельности основное значение должно быть отведено не главновалентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, водородным связям и др.).

Конечный результат биохимического исследования может быть представлен в виде той или иной системы химических уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличительной чертой М. б. является её трехмерность. Сущность М. б. усматривается М. Перуц ем в том, чтобы истолковать биологические функции в понятиях молекулярной структуры. Можно сказать, что если прежде при изучении биологических объектов необходимо было ответить на вопрос «что», т. е. какие вещества присутствуют, и на вопрос «где» - в каких тканях и органах, то М. б. ставит своей задачей получить ответы на вопрос «как», познав сущность роли и участия всей структуры молекулы, и на вопросы «почему» и «зачем», выяснив, с одной стороны, связи между свойствами молекулы (опять-таки в первую очередь белков и нуклеиновых кислот) и осуществляемыми ею функциями и, с другой стороны, роль таких отдельных функций в общем комплексе проявлений жизнедеятельности.

Решающую роль приобретают взаимное расположение атомов и их группировок в общей структуре макромолекулы, их пространственные взаимоотношения. Это касается как отдельных, индивидуальных, компонентов, так и общей конфигурации молекулы в целом. Именно в результате возникновения строго детерминированной объёмной структуры молекулы биополимеров приобретают те свойства, в силу которых они оказываются способными служить материальной основой биологических функций. Такой принцип подхода к изучению живого составляет наиболее характерную, типическую черту М. б.

Историческая справка. Огромное значение исследований биологических проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов , говоривший о последней ступени в науке о жизни - физиологии живой молекулы. Самый термин «М. б.» был впервые употреблен англ. учёным У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц. Широко применять термин «М. б.» стали с начала 50-х гг. 20 в.

Возникновение М. б. как сформировавшейся науки принято относить к 1953, когда Дж. Уотсон ом и Ф. Крик ом в Кембридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК). Это позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало известно несколько раньше (1944) в результате работ американского генетика О. Т. Эйвери с сотрудниками (см. Молекулярная генетика), но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строения ДНК. Это стало возможным лишь после того, как в лабораториях У. Л. Брэгга (См. Брэгга - Вульфа условие), Дж. Бернал а и др. были разработаны новые принципы рентгеноструктурного анализа, обеспечившие применение этого метода для детального познания пространственного строения макромолекул белков и нуклеиновых кислот.

Уровни молекулярной организации. В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмерную структуру Миоглобин а, а в последующие годы это было сделано М. Перуцем в отношении Гемоглобин а. Были сформулированы представления о различных уровнях пространственной организации макромолекул. Первичная структура - это последовательность отдельных звеньев (мономеров) в цепи образующейся молекулы полимера. Для белков мономерами являются Аминокислоты , для нуклеиновых кислот - Нуклеотиды . Линейная, нитевидная молекула биополимера в результате возникновения водородных связей обладает способностью определённым образом укладываться в пространстве, например в случае белков, как показал Л. Полинг, приобретать форму спирали. Это обозначается как вторичная структура. О третичной структуре говорят, когда молекула, обладающая вторичной структурой, складывается далее тем или иным образом, заполняя трёхмерное пространство. Наконец, молекулы, обладающие трёхмерной структурой, могут вступать во взаимодействие, закономерно располагаясь в пространстве относительно друг друга и образуя то, что обозначается как четвертичная структура; её отдельные компоненты обычно называемые субъединицами.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная структура определяет биологические функции молекулы, служит ДНК. Она обладает строением двойной спирали: две нити, идущие во взаимно противоположном направлении (антипараллельно), закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль со взаимно комплементарным расположением оснований, т. е. так, что против определённого основания одной цепи всегда в другой цепи стоит такое основание, которое наилучшим образом обеспечивает образование водородных связей: адепин (А) образует пару с тимином (Т), гуанин (Г) - с цитозином (Ц). Такая структура создаёт оптимальные условия для важнейших биологических функций ДНК: количественного умножения наследственной информации в процессе клеточного деления при сохранении качественной неизменности этого потока генетической информации. При делении клетки нити двойной спирали ДНК, служащей в качестве матрицы, или шаблона, расплетаются и на каждой из них под действием ферментов синтезируется комплементарная новая нить. В результате этого из одной материнской молекулы ДНК получаются две совершенно тождественные ей дочерние молекулы (см. Клетка , Митоз).

Так же и в случае гемоглобина оказалось, что его биологическая функция - способность обратимо присоединять кислород в лёгких и затем отдавать его тканям - теснейшим образом связана с особенностями трёхмерной структуры гемоглобина и её изменениями в процессе осуществления свойственной ему физиологической роли. При связывании и диссоциации O 2 происходят пространственные изменения конформации молекулы гемоглобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нём атомов железа к кислороду. Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объёма грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин «молекулярными лёгкими».

Одна из важнейших черт живых объектов - их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М. б. в научные открытия следует считать раскрытие нового, ранее неизвестного регуляторного механизма, обозначаемого как аллостерический эффект. Он заключается в способности веществ низкой молекулярной массы - т. н. лигандов - видоизменять специфические биологические функции макромолекул, в первую очередь каталитически действующих белков - ферментов, гемоглобина, рецепторных белков, участвующих в построении биологических мембран (См. Биологические мембраны), в синаптической передаче (см. Синапсы) и т. д.

Три биотических потока. В свете представлений М. б. совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трёх потоков: потока материи, находящего своё выражение в явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и диссимиляции; потока энергии, являющейся движущей силой для всех проявлений жизнедеятельности; и потока информации, пронизывающего собой не только всё многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесённое в учение о живом мире развитием М. б., накладывает на неё свой специфический, уникальный отпечаток.

Важнейшие достижения молекулярной биологии. Стремительность, размах и глубину влияния М. б. на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой теории на развитие атомной физики. Два внутренне связанных условия определили это революционизирующее воздействие. С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу химических и физических экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук - физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков - в разработку биологических проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития М. б., число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК и рибосом (См. Рибосомы), раскрытие генетического кода (См. Код генетический); открытие обратной транскрипции (См. Транскрипция), т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трёхмерной структуры и её функциональной роли в действии ферментов (См. Ферменты), принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза белков; раскрытие структуры вирусов (См. Вирусы) и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных Генов , химический, а затем биологический (ферментативный) синтез гена, в том числе человеческого, вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в том числе в клетки человека; стремительно идущая расшифровка химической структуры возрастающего числа индивидуальных белков, главным образом ферментов, а также нуклеиновых кислот; обнаружение явлений «самосборки» некоторых биологических объектов всё возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение аллостерических и других основных принципов регулирования биологических функций и процессов.

Редукционизм и интеграция. М. б. является завершающим этапом того направления в изучении живых объектов, которое обозначается как «редукционизм», т. е. стремление свести сложные жизненные функции к явлениям, протекающим на уровне молекул и потому доступным изучению методами физики и химии. Достигнутые М. б. успехи свидетельствуют об эффективности такого подхода. Вместе с тем необходимо учитывать, что в естественных условиях в клетке, ткани, органе и целом организме мы имеем дело с системами возрастающей степени усложнённости. Такие системы образуются из компонентов более низкого уровня путём их закономерной интеграции в целостности, приобретающие структурную и функциональную организацию и обладающие новыми свойствами. Поэтому по мере детализации познаний о закономерностях, доступных раскрытию на молекулярном и примыкающих уровнях, перед М. б. встают задачи познания механизмов интеграции как линии дальнейшего развития в изучении явлений жизни. Отправной точкой здесь служит исследование сил межмолекулярных взаимодействий - водородных связей, ван-дер-ваальсовых, электростатических сил и т. д. Своей совокупностью и пространственным расположением они образуют то, что может быть обозначено как «интегративная информация». Её следует рассматривать как одну из главных частей уже упоминавшегося потока информации. В области М. б. примерами интеграции могут служить явления самосборки сложных образований из смеси их составных частей. Сюда относятся, например, образование многокомпонентных белков из их субъединиц, образование вирусов из их составных частей - белков и нуклеиновой кислоты, восстановление исходной структуры рибосом после разделения их белковых и нуклеиновых компонентов и т. д. Изучение этих явлений непосредственно связано с познанием основных феноменов «узнавания» молекул биополимеров. Речь идёт о том, чтобы выяснить, какие сочетания аминокислот - в молекулах белков или нуклеотидов - в нуклеиновых кислотах взаимодействуют между собой при процессах ассоциации индивидуальных молекул с образованием комплексов строго специфичного, наперёд заданного состава и строения. Сюда относятся процессы образования сложных белков из их субъединиц; далее, избирательное взаимовоздействие между молекулами нуклеиновых кислот, например транспортными и матричными (в этом случае существенно расширило наши сведения раскрытие генетического кода); наконец, это образование многих типов структур (например, рибосом, вирусов, хромосом), в которых участвуют и белки, и нуклеиновые кислоты. Раскрытие соответствующих закономерностей, познание «языка», лежащего в основе указанных взаимодействий, составляет одну из важнейших областей М. б., ещё ожидающую своей разработки. Эту область рассматривают как принадлежащую к числу фундаментальных проблем для всей биосферы.

Задачи молекулярной биологии. Наряду с указанными важными задачами М. б. (познанием закономерностей «узнавания», самосборки и интеграции) актуальным направлением научного поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и трёхмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых кислот. В данное время это достигнуто в отношении общего плана трёхмерной структуры ДНК (двойной спирали), но без точного знания её первичной структуры. Быстрые успехи в разработке аналитических методов позволяют с уверенностью ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется, главные вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики и химии. Все важнейшие методы, использование которых обеспечило возникновение и успехи М. б., были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и др.). Почти все новые физические экспериментальные подходы (например, использование ЭВМ, синхротронного, или тормозного, излучения, лазерной техники и др.) открывают новые возможности для углублённого изучения проблем М. б. В числе важнейших задач практического характера, ответ на которые ожидается от М. б., на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее - пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний - «молекулярных болезней» (См. Молекулярные болезни). Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т. е. действия ферментов. К числу важнейших современных направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов (См. Гормоны), токсических и лекарственных веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М. б. - познание природы нервных процессов, механизмов памяти (См. Память) и т. д. Один из важных формирующихся разделов М. б. - т. н. генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (Геном ом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний (См. Наследственные заболевания) и исправления генетических дефектов). О более обширных вмешательствах в генетическую основу человека речь может идти лишь в более или менее отдалённом будущем, т. к. при этом возникают серьёзные препятствия как технического, так и принципиального характера. В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживающи (например, получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских важных веществ.

Организация исследований по молекулярной биологии. Быстрое развитие М. б. повлекло за собой возникновение большого числа специализированных научно-исследовательских центров. Количество их быстро возрастает. Наиболее крупные: в Великобритании - Лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский институт в Лондоне; во Франции - институты молекулярной биологии в Париже, Марселе, Страсбуре, Пастеровский институт; в США - отделы М. б. в университетах и институтах в Бостоне (Гарвардский университет, Массачусетсский технологический институт), Сан-Франциско (Беркли), Лос-Анджелесе (Калифорнийский технологический институт), Нью-Йорке (Рокфеллеровский университет), институты здравоохранения в Бетесде и др.; в ФРГ - институты Макса Планка, университеты в Гёттингене и Мюнхене; в Швеции - Каролинский институт в Стокгольме; в ГДР - Центральный институт молекулярной биологии в Берлине, институты в Йене и Галле; в Венгрии - Биологический центр в Сегеде. В СССР первый специализированный институт М. б. был создан в Москве в 1957 в системе АН СССР (см. ); затем были образованы: институт биоорганической химии АН СССР в Москве, институт белка в Пущине, Биологический отдел в институте атомной энергии (Москва), отделы М. б. в институтах Сибирского отделения АН в Новосибирске, Межфакультетская лаборатория биоорганической химии МГУ, сектор (затем институт) молекулярной биологии и генетики АН УССР в Киеве; значительная работа по М. б. ведётся в институте высокомолекулярных соединений в Ленинграде, в ряде отделов и лабораторий АН СССР и других ведомств.

Наряду с отдельными научно-исследовательскими центрами возникли организации более широкого масштаба. В Западной Европе возникла Европейская организация по М. б. (ЕМБО), в которой участвует свыше 10 стран. В СССР при институте молекулярной биологии в 1966 создан научный совет по М. б., являющийся координирующим и организующим центром в этой области знаний. Им выпущена обширная серия монографий по важнейшим разделам М. б., регулярно организуются «зимние школы» по М. б., проводятся конференции и симпозиумы по актуальным проблемам М. б. В дальнейшем научные советы по М. б. были созданы при АМН СССР и многих республиканских Академиях наук. С 1966 выходит журнал «Молекулярная биология» (6 выпусков в год).

За сравнительно короткий срок в СССР вырос значительный отряд исследователей в области М. б.; это учёные старшего поколения, частично переключившие свои интересы из др. областей; в главной же своей массе это многочисленные молодые исследователи. Из числа ведущих учёных, принявших деятельное участие в становлении и развитии М. б. в СССР, можно назвать таких, как А. А. Баев, А. Н. Белозерский, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Энгельгардт. Новым достижениям М. б. и молекулярной генетики будет способствовать постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР (май 1974) «О мерах по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве».

Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Сент-Дьердь и А., Биоэнергетика, пер. с англ., М., 1960; Анфинсен К., Молекулярные основы эволюции, пер. с англ., М., 1962; Стэнли У., Вэленс Э., Вирусы и природа жизни, пер. с англ., М., 1963; Молекулярная генетика, пер. с. англ., ч. 1, М., 1964; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Гауровиц Ф., Химия и функции белков, пер. с англ., М., 1965; Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, 3 изд., М. - Л., 1973; Ингрэм В., Биосинтез макромолекул, пер. с англ., М., 1966; Энгельгардт В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Введение в молекулярную биологию, пер. с англ., М., 1967; Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Финеан Дж., Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; Бендолл Дж., Мышцы, молекулы и движение, пер. с англ., М., 1970; Ичас М., Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Молекулярная биология вирусов, М., 1971; Молекулярные основы биосинтеза белков, М., 1971; Бернхард С., Структура и функция ферментов, пер. с англ., М., 1971; Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Рибосома, 2 изд., М., 1971; Френкель-Конрат Х., Химия и биология вирусов, пер. с англ., М., 1972; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления, пер. с англ., М., 1972; Харрис Г., Основы биохимической генетики человека, пер. с англ., М., 1973.

В. А. Энгельгардт.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

31.2

Для друзей!

Справка

Молекулярная биология выросла из биохимии в апреле 1953 года. Ее появление связано с именами Джеймса Уотсона и Френсиса Крика, которые открыли структуру молекулы ДНК. Открытие стало возможным благодаря исследованию генетики, бактерий и биохимии вирусов. Профессия молекулярный биолог не имеет широкого распространения, но на сегодняшний день ее роль в современном обществе очень велика. Большое количество заболеваний, в том числе, проявляющихся на генетическом уровне, требует от ученых поиска решений данной проблемы.

Описание деятельности

Вирусы и бактерии постоянно мутируют, а это значит, что человеку перестают помогать лекарства и болезни становятся трудноизлечимыми. Задача молекулярной биологии - опередить этот процесс и разработать новое средство от болезней. Ученые работают по отлаженной схеме: блокировка причины заболевания, устранение механизмов наследственности и облегчение тем самым состояния пациента. В мире существует ряд центров, клиник и больниц, где молекулярные биологи в помощь пациентам разрабатывают новые способы лечения.

Трудовые обязанности

В обязанности молекулярного биолога входит изучение процессов внутри клетки (например, изменения в ДНК при развитии опухолей). Также специалисты изучают особенности ДНК, их влияние на целый организм и отдельную клетку. Такие исследования проводятся, например, на основании ПЦР (полимеразная цепная реакция), которая позволяет сделать анализ организма на инфекции, наследственные заболевания и определить биологическое родство.

Особенности карьерного роста

Профессия молекулярный биолог довольно перспективна в своей сфере и уже сегодня претендует на первые места в рейтинге медицинских профессий будущего. Кстати, молекулярному биологу не обязательно все время оставаться в этой сфере. Если возникнет желание сменить род занятий, он может переквалифицироваться в менеджеры по продажам лабораторного оборудования, начать разрабатывать приборы для различных исследований или открыть свое дело.

Похожие статьи