البيولوجيا الجزيئية التطبيقية. عالم الأحياء الجزيئية. طرق الوصف الوظيفي للبيولوجيا الجزيئية

أدى التقدم في دراسة الأحماض النووية والتخليق الحيوي للبروتين إلى إنشاء عدد من الطرق التي لها أهمية عملية كبيرة في الطب والزراعة وعدد من الصناعات الأخرى.

بعد دراسة الكود الوراثي والمبادئ الأساسية لتخزين وتنفيذ المعلومات الوراثية، توقف تطوير البيولوجيا الجزيئية، حيث لم تكن هناك طرق تسمح بمعالجة الجينات وعزلها وتغييرها. حدث ظهور هذه الأساليب في السبعينيات والثمانينيات. وقد أعطى هذا دفعة قوية لتطوير هذا المجال من العلوم، الذي لا يزال مزدهرا حتى اليوم. بادئ ذي بدء، تتعلق هذه الطرق بالحصول على الجينات الفردية وإدخالها في خلايا الكائنات الحية الأخرى (الاستنساخ الجزيئي ونقل الجينات، PCR)، وكذلك طرق تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الجينات (تسلسل الحمض النووي والحمض النووي الريبي). أدناه سيتم مناقشة هذه الأساليب بمزيد من التفصيل. سنبدأ بأبسط طريقة أساسية - وهي الرحلان الكهربائي، ثم ننتقل إلى طرق أكثر تعقيدًا.

الرحلان الكهربائي للحمض النووي

هذه هي الطريقة الأساسية للعمل مع الحمض النووي، وتُستخدم جنبًا إلى جنب مع جميع الطرق الأخرى تقريبًا لعزل الجزيئات المطلوبة وتحليل النتائج. يستخدم الفصل الكهربائي الهلامي لفصل شظايا الحمض النووي حسب الطول. الحمض النووي عبارة عن حمض، تحتوي جزيئاته على بقايا حمض الفوسفوريك، التي تزيل البروتون وتكتسب شحنة سالبة (الشكل 1).

لذلك في الحقل الكهربائيتتحرك جزيئات الحمض النووي نحو الأنود - وهو قطب كهربائي موجب الشحنة. يحدث هذا في محلول إلكتروليت يحتوي على أيونات حاملة للشحنة، مما يجعل المحلول موصلاً للتيار. لفصل الشظايا، يتم استخدام هلام كثيف مصنوع من البوليمرات (الأغاروز أو بولي أكريلاميد). وتصبح جزيئات الحمض النووي "متشابكة" فيه كلما زاد طولها، وبالتالي تتحرك الجزيئات الأطول بشكل أبطأ، والجزيئات الأقصر تتحرك بشكل أسرع (الشكل 2). قبل أو بعد الترحيل الكهربائي، تتم معالجة الهلام بأصباغ ترتبط بالحمض النووي وتتألق في الضوء فوق البنفسجي، ويتم الحصول على نمط من العصابات في الهلام (انظر الشكل 3). لتحديد أطوال أجزاء عينة الحمض النووي، تتم مقارنتها بعلامة - مجموعة من الأجزاء ذات الأطوال القياسية المطبقة بالتوازي مع نفس الجل (الشكل 4).

أهم أدوات العمل مع الحمض النووي هي الإنزيمات التي تنفذ تحولات الحمض النووي في الخلايا الحية: بوليميرات الحمض النووي، وأربطة الحمض النووي، والنوكليازات الداخلية المقيدة، أو المقيدة. بوليميرات الحمض النوويتنفيذ قالب تخليق الحمض النووي، والذي يسمح بمضاعفة الحمض النووي في المختبر. روابط الحمض النوويخياطة جزيئات الحمض النووي معًا أو معالجة الفجوات الموجودة فيها. تقييد النواة النووية، أو أنزيمات التقييد، قطع جزيئات الحمض النووي وفقًا لتسلسلات محددة بدقة، مما يجعل من الممكن قطع الأجزاء الفردية من الكتلة الإجمالية للحمض النووي. قد تحتوي هذه الأجزاء في بعض الحالات على جينات فردية.

أنزيمات التقييد

تكون التسلسلات التي تتعرف عليها إنزيمات التقييد متناظرة، ويمكن أن تحدث انقطاعات في منتصف هذا التسلسل أو مع تحول (في نفس المكان في كلا شريطي الحمض النووي). مخطط العمل أنواع مختلفةيظهر إنزيم التقييد في الشكل. 1. في الحالة الأولى يتم الحصول على ما يسمى بالأطراف “غير الحادة”، وفي الحالة الثانية يتم الحصول على الأطراف “اللزجة”. وفي حالة الأطراف "اللزجة" من الأسفل، يتبين أن السلسلة أقصر من الأخرى، وتتشكل منطقة مفردة الجديلة بتسلسل متماثل، يتشكل هو نفسه عند كلا الطرفين.

ستكون التسلسلات النهائية هي نفسها عندما يتم هضم أي حمض نووي بواسطة إنزيم تقييد معين ويمكن إعادة ضمه لأن لديهم تسلسلات تكميلية. يمكن ربطها بشكل متقاطع باستخدام DNA ligase لتكوين جزيء واحد. بهذه الطريقة، من الممكن الجمع بين أجزاء من حمضين نوويين مختلفين والحصول على ما يسمى الحمض النووي معاد التركيب. يُستخدم هذا الأسلوب في طريقة الاستنساخ الجزيئي، والذي يسمح بالحصول على الجينات الفردية وإدخالها في الخلايا التي يمكنها تصنيع البروتين المشفر في الجين.

الاستنساخ الجزيئي

يستخدم الاستنساخ الجزيئي جزيئين من الحمض النووي - ملحق يحتوي على الجين محل الاهتمام، و المتجه- الحمض النووي يعمل كحامل. يتم "خياطة" الملحق في الناقل باستخدام الإنزيمات، مما ينتج عنه جزيء DNA جديد معاد التركيب، ثم يتم إدخال هذا الجزيء إلى الخلايا المضيفة، وتشكل هذه الخلايا مستعمرات على وسط غذائي. المستعمرة هي نسل خلية واحدة، أي مستنسخة، وجميع خلايا المستعمرة متطابقة وراثيا وتحتوي على نفس الحمض النووي المؤتلف. ومن هنا جاء مصطلح "الاستنساخ الجزيئي"، أي الحصول على نسخة من الخلايا تحتوي على جزء الحمض النووي الذي يهمنا. بمجرد الحصول على المستعمرات التي تحتوي على ملحق الاهتمام، يمكننا ذلك أساليب مختلفةوصف هذا الإدراج، على سبيل المثال، تحديد تسلسله الدقيق. يمكن للخلايا أيضًا إنتاج البروتين المشفر بواسطة الإدخال إذا كان يحتوي على جينة وظيفية.

عندما يتم إدخال جزيء مؤتلف إلى الخلايا، يحدث تحول جيني لهذه الخلايا. تحويل- عملية امتصاص خلية كائن حي لجزيء DNA حر من البيئة واندماجه في الجينوم مما يؤدي إلى ظهور خصائص وراثية جديدة في مثل هذه الخلية مميزة للكائن المتبرع بالحمض النووي. على سبيل المثال، إذا كان الجزيء المُدخل يحتوي على جينة مقاومة للمضاد الحيوي الأمبيسيلين، فإن البكتيريا المتحولة سوف تنمو في وجوده. وقبل التحول كان الأمبيسلين هو سبب موتها، أي ظهور سمة جديدة في الخلايا المتحولة.

ثلاثة أبعاد

يجب أن يتمتع المتجه بعدد من الخصائص:

أولا، إنه جزيء DNA صغير نسبيا بحيث يمكن التلاعب به بسهولة.

ثانياً، لكي يتم حفظ الحمض النووي وتكاثره في الخلية، يجب أن يحتوي على تسلسل معين يضمن تضاعفه (أصل التكرار، أو أصل التكرار).

ثالثا: أن يحتوي على الجين المحدد، والذي يضمن اختيار الخلايا التي دخل إليها المتجه فقط. عادة ما تكون هذه جينات مقاومة للمضادات الحيوية - ثم في وجود المضاد الحيوي، تموت جميع الخلايا التي لا تحتوي على الناقل.

يتم إجراء استنساخ الجينات في أغلب الأحيان في الخلايا البكتيرية، حيث يسهل زراعتها وتكاثرها بسرعة. يوجد في الخلية البكتيرية عادةً جزيء DNA دائري كبير يبلغ طوله عدة ملايين من أزواج النيوكليوتيدات، ويحتوي على جميع الجينات الضرورية للبكتيريا - الكروموسوم البكتيري. بالإضافة إلى ذلك، يوجد في بعض البكتيريا حمض نووي دائري صغير (عدة آلاف من الأزواج القاعدية) يسمى البلازميدات(الصورة 2). وهي، مثل الحمض النووي الرئيسي، تحتوي على تسلسل نيوكليوتيد يضمن قدرة الحمض النووي على التكرار (ori). تتكاثر البلازميدات بشكل مستقل عن الحمض النووي الرئيسي (الكروموسومي)، لذا فهي موجودة في الخلية بعدد كبير من النسخ. يحمل العديد من هذه البلازميدات جينات مقاومة للمضادات الحيوية، مما يسمح بتمييز الخلايا التي تحمل البلازميد عن الخلايا الطبيعية. في كثير من الأحيان، يتم استخدام البلازميدات التي تحمل جينين يوفران مقاومة لمضادين حيويين، على سبيل المثال، التتراسيكلين والأميسيلين. هناك طرق بسيطة لعزل هذا الحمض النووي البلازميد، خاليًا من الحمض النووي للكروموسوم الرئيسي للبكتيريا.

أهمية التحوّل

يسمى نقل الجينات من كائن حي إلى آخر التحوير، وكذا الكائنات المعدلة - المعدلة وراثيا. طريقة نقل الجينات إلى الخلايا الميكروبية تنتج مستحضرات بروتينية مؤتلفة لتلبية الاحتياجات الطبية، على وجه الخصوص، البروتينات البشرية التي لا تسبب الرفض المناعي - الإنترفيرون والأنسولين وهرمونات البروتين الأخرى، وعوامل النمو الخلوي، وكذلك البروتينات لإنتاج اللقاحات. في الحالات الأكثر تعقيدًا، عندما يحدث تعديل البروتينات بشكل صحيح فقط في الخلايا حقيقية النواة، يتم استخدام مزارع الخلايا المعدلة وراثيًا أو الحيوانات المعدلة وراثيًا، على وجه الخصوص، الماشية (الماعز في المقام الأول)، التي تفرز البروتينات الضرورية في الحليب، أو يتم عزل البروتينات من دمائهم. وبهذه الطريقة يتم الحصول على الأجسام المضادة وعوامل تخثر الدم والبروتينات الأخرى. طريقة النقل تنتج نباتات مزروعة مقاومة لمبيدات الأعشاب والآفات ولها أنواع أخرى خصائص مفيدة. تُستخدم الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثياً لتنقية مياه الصرف الصحي ومكافحة التلوث، بل إن هناك ميكروبات معدلة وراثياً يمكنها تحليل الزيت. بالإضافة إلى ذلك، لا غنى عن التقنيات المعدلة وراثيا في البحث العلمي - إن تطور علم الأحياء اليوم لا يمكن تصوره دون الاستخدام الروتيني لأساليب التعديل ونقل الجينات.

تكنولوجيا الاستنساخ الجزيئي

إدراج

للحصول على جين فردي من كائن حي، يتم عزل كل الحمض النووي الكروموسومي منه وتقسيمه باستخدام واحد أو اثنين من إنزيمات التقييد. يتم اختيار الإنزيمات بحيث لا تقطع الجين الذي يهمنا، ولكنها تصنع فجوات على طول حوافه، وفي DNA البلازميد تقوم بعمل كسر واحد في أحد جينات المقاومة، على سبيل المثال، الأمبيسيلين.

تتضمن عملية الاستنساخ الجزيئي الخطوات التالية:

القطع والخياطة هو بناء جزيء واحد مؤتلف من مُدخل ومتجه.

التحول هو إدخال جزيء مؤتلف إلى الخلايا.

التحديد هو اختيار الخلايا التي استقبلت متجهًا بإدراج.

القطع والخياطة

تتم معالجة الحمض النووي البلازميدي بنفس إنزيمات التقييد، ويتم تحويله إلى جزيء خطي إذا تم اختيار إنزيم تقييد يُدخل فاصلًا واحدًا في البلازميد. ونتيجة لذلك، تنتهي جميع شظايا الحمض النووي الناتجة بنفس الأطراف اللزجة. عندما تنخفض درجة الحرارة، ترتبط هذه الأطراف بشكل عشوائي وتترابط مع رابط الحمض النووي (انظر الشكل 3).

يتم الحصول على خليط من الحمض النووي الدائري بتركيبة مختلفة: سيحتوي بعضها على تسلسل معين من الحمض النووي الصبغي المتصل بالحمض النووي البكتيري، والبعض الآخر سيحتوي على أجزاء من الحمض النووي الصبغي المرتبط معًا، والبعض الآخر سيحتوي على بلازميد دائري مستعاد أو ثنائيته ( الشكل 4).

تحويل

بعد ذلك، يتم تنفيذ هذا الخليط التحول الجينيالبكتيريا التي لا تحتوي على البلازميدات. تحويل- عملية امتصاص خلية كائن حي لجزيء DNA حر من البيئة واندماجه في الجينوم مما يؤدي إلى ظهور خصائص وراثية جديدة في مثل هذه الخلية مميزة للكائن المتبرع بالحمض النووي. يمكن لبلازميد واحد فقط أن يخترق ويتكاثر في كل خلية. يتم وضع هذه الخلايا على وسط غذائي صلب يحتوي على المضاد الحيوي التتراسيكلين. والخلايا التي لم تستقبل البلازميد لن تنمو على هذا الوسط، والخلايا التي تحمل البلازميد تشكل مستعمرات، تحتوي كل منها على أحفاد خلية واحدة فقط، أي. جميع الخلايا في المستعمرة تحمل نفس البلازميد (انظر الشكل 5).

اختيار

المهمة التالية هي عزل الخلايا التي تحتوي على المتجه مع المُدخل فقط، وتمييزها عن الخلايا التي تحمل المتجه فقط دون المُدخل أو التي لا تحمل المتجه على الإطلاق. تسمى عملية اختيار الخلايا المطلوبة اختيار. ولهذا الغرض يستخدمون علامات انتقائية- عادة الجينات المقاومة للمضادات الحيوية في الناقل، و وسائل الإعلام الانتقائيةتحتوي على مضادات حيوية أو مواد أخرى توفر الاختيار.

في المثال الذي ندرسه، يتم زراعة الخلايا من المستعمرات المزروعة في وجود الأمبيسيلين في وسطين: الأول يحتوي على الأمبيسيلين، والثاني يحتوي على التتراسيكلين. سوف تنمو المستعمرات التي تحتوي على البلازميد فقط على كلا الوسطين، لكن المستعمرات التي تحتوي على البلازميدات التي تحتوي على الحمض النووي الصبغي المدمج لن تنمو على وسط يحتوي على التتراسيكلين (الشكل 5). من بينها، باستخدام طرق خاصة، يتم اختيار تلك التي تحتوي على الجين الذي يهمنا، وتنمو بكميات كافية، ويتم عزل DNA البلازميد. ومنه، وباستخدام نفس إنزيمات التقييد التي تم استخدامها للحصول على الحمض النووي المؤتلف، يتم قطع الجين الفردي المعني. يمكن استخدام الحمض النووي لهذا الجين لتحديد تسلسل النيوكليوتيدات، أو إدخاله إلى أي كائن حي للحصول على خصائص جديدة، أو تصنيع البروتين المطلوب. تسمى هذه الطريقة لعزل الجينات الاستنساخ الجزيئي.

البروتينات الفلورية

من الملائم جدًا استخدام بروتينات الفلورسنت كجينات علامة في دراسات الكائنات حقيقية النواة. الجين للبروتين الفلوري الأول، البروتين الفلوري الأخضر (GFP)تم عزله من قنديل البحر Aqeuorea victoria وتم إدخاله في كائنات نموذجية مختلفة (انظر الشكل 6). في عام 2008، حصل O. Shimomura وM. Chalfie وR. Tsien على جائزة نوبل لاكتشاف هذا البروتين وتطبيقه.

ثم تم عزل جينات البروتينات الفلورية الأخرى - الأحمر والأزرق والأصفر. تم تعديل هذه الجينات بشكل مصطنع لإنتاج البروتينات الخصائص الضرورية. يظهر تنوع البروتينات الفلورية في الشكل 1. الشكل 7، والذي يُظهر طبق بتري يحتوي على بكتيريا تحتوي على جينات لبروتينات الفلورسنت المختلفة.

تطبيق البروتينات الفلورسنت

يمكن دمج جين البروتين الفلوري مع جين أي بروتين آخر، ثم أثناء الترجمة سيتم تشكيل بروتين واحد - بروتين الاندماج الترجمي، أو انصهار(بروتين الاندماج)، الذي يتألق. وبهذه الطريقة، من الممكن، على سبيل المثال، دراسة توطين (موقع) أي بروتينات ذات أهمية في الخلية وحركتها. باستخدام التعبير عن بروتينات الفلورسنت فقط في أنواع معينة من الخلايا، من الممكن تحديد خلايا من هذه الأنواع في كائن متعدد الخلايا (انظر الشكل 8 - دماغ الفأر، حيث توجد خلايا عصبية فردية) ألوان مختلفةبسبب مجموعة معينة من جينات البروتين الفلوري). تعد البروتينات الفلورية أداة لا غنى عنها في علم الأحياء الجزيئي الحديث.

تفاعل البوليميراز المتسلسل

هناك طريقة أخرى للحصول على الجينات تسمى تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). وهو يعتمد على قدرة بوليميرات الحمض النووي على إكمال الشريط الثاني من الحمض النووي على طول الشريط التكميلي، كما يحدث في الخلايا أثناء تكرار الحمض النووي.

يتم تحديد أصول التكرار في هذه الطريقة من خلال قطعتين صغيرتين من الحمض النووي تسمى بذور،أو الاشعال. هذه البادئات مكملة لنهايات الجين محل الاهتمام على شريطي الحمض النووي. أولا، يتم خلط الحمض النووي الكروموسومي الذي سيتم عزل الجين منه مع البذور وتسخينه إلى 99 درجة مئوية. وهذا يؤدي إلى كسر الروابط الهيدروجينية وتباعد خيوط الحمض النووي. بعد ذلك يتم خفض درجة الحرارة إلى 50-70 حوالي درجة مئوية (حسب طول وتسلسل البذور). في ظل هذه الظروف، ترتبط البادئات بالمناطق التكميلية من الحمض النووي الكروموسومي، وتشكل حلزونًا مزدوجًا منتظمًا (انظر الشكل 9). بعد ذلك، يتم إضافة خليط من النيوكليوتيدات الأربعة اللازمة لتخليق الحمض النووي وبوليميراز الحمض النووي. يقوم الإنزيم بإطالة البادئات عن طريق بناء الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل من نقطة ارتباط البادئات، أي. من نهايات الجين إلى نهاية جزيء الكروموسومات المفرد الذي تقطعت به السبل.

إذا تم تسخين الخليط الآن مرة أخرى، فسوف تتشتت السلاسل الكروموسومية والسلاسل المصنعة حديثًا. بعد التبريد، ستنضم إليهم البذور مرة أخرى، والتي يتم أخذها بكميات كبيرة (انظر الشكل 10).

في السلاسل المركبة حديثًا، لن تنضم إلى النهاية التي بدأ منها التوليف الأول، ولكن إلى الطرف المعاكس، نظرًا لأن سلاسل الحمض النووي غير متوازية. لذلك، في الدورة الثانية من التوليف، سيتم إكمال التسلسل المقابل للجين فقط على هذه السلاسل (انظر الشكل 11).

تستخدم هذه الطريقة بوليميراز الحمض النووي من البكتيريا المحبة للحرارة، والتي يمكنها تحمل الغليان وتعمل عند درجات حرارة 70-80 درجة مئوية، ولا تحتاج إلى إضافتها في كل مرة، بل يتم إضافتها في بداية التجربة. ومن خلال تكرار إجراءات التسخين والتبريد بنفس التسلسل، يمكننا مضاعفة عدد التسلسلات في كل دورة، ويتم تحديدها عند كلا الطرفين بواسطة البذور المدخلة (انظر الشكل 12).

وبعد حوالي 25 دورة من هذا القبيل، سيزداد عدد نسخ الجين بأكثر من مليون مرة. ويمكن فصل هذه الكميات بسهولة عن الحمض النووي الصبغي المضاف إلى أنبوب الاختبار واستخدامه لأغراض مختلفة.

تسلسل الحمض النووي

الإنجاز المهم الآخر هو تطوير طرق تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي - تسلسل الحمض النووي(من التسلسل الإنجليزي - تسلسل). للقيام بذلك، من الضروري الحصول على جينات نقية من الحمض النووي الآخر باستخدام إحدى الطرق الموصوفة. يتم بعد ذلك فصل خيوط الحمض النووي عن طريق التسخين ويتم إضافة مادة تمهيدية تحمل علامة الفسفور المشع أو علامة الفلورسنت. يرجى ملاحظة أنه يتم أخذ برايمر واحد مكمل لخيط واحد. ثم يضاف بوليميريز DNA وخليط من 4 نيوكليوتيدات. يقسم هذا الخليط إلى 4 أجزاء ويضاف إلى كل جزء واحد من النيوكليوتيدات، ويتم تعديله بحيث لا تحتوي الذرة الثالثة من الديوكسيريبوز على مجموعة الهيدروكسيل. إذا تم تضمين مثل هذا النوكليوتيدات في سلسلة الحمض النووي التي يتم تصنيعها، فلن يكون من الممكن الاستمرار في استطالتها، لأن لن يكون للبوليميراز مكان لربط النوكليوتيدات التالية. ولذلك، يتوقف تخليق الحمض النووي بعد إدراج مثل هذا النوكليوتيدات. تُضاف هذه النيوكليوتيدات، التي تسمى ديديوكسينوكليوتيدات، بشكل أقل بكثير من النيوكليوتيدات العادية، لذلك يحدث إنهاء السلسلة فقط في بعض الأحيان وفي أماكن مختلفة في كل سلسلة. والنتيجة هي خليط من السلاسل أطوال مختلفة، في نهاية كل منهما يوجد نفس النوكليوتيدات. وبالتالي فإن طول السلسلة يتوافق مع عدد النيوكليوتيدات في التسلسل قيد الدراسة، على سبيل المثال، إذا كان لدينا ديديوكسينوكليوتيد أدينيل، وكان طول السلاسل الناتجة 2 و 7 و 12 نيوكليوتيدات، فإنه كان هناك أدينين في المراكز الثاني والسابع والثاني عشر في الجين. يمكن فصل خليط السلاسل الناتج بسهولة حسب الحجم باستخدام الفصل الكهربائي، ويمكن التعرف على السلاسل المركبة عن طريق النشاط الإشعاعي على فيلم الأشعة السينية (انظر الشكل 10).

والنتيجة هي الصورة الموضحة في الجزء السفلي من الشكل، والتي تسمى التوقيع. بالتحرك على طوله من الأسفل إلى الأعلى وقراءة الحرف الموجود فوق أعمدة كل منطقة، سنحصل على تسلسل النيوكليوتيدات الموضح في الشكل الموجود على يمين التوقيع. اتضح أن عملية التوليف لا يتم إيقافها فقط عن طريق ديديوكسينوكليوتيدات، ولكن أيضًا عن طريق النيوكليوتيدات التي يتم فيها ربط مجموعة كيميائية معينة، على سبيل المثال صبغة الفلورسنت، بالموضع الثالث للسكر. إذا تم تمييز كل نيوكليوتيد بصبغته الخاصة، فإن المناطق التي تم الحصول عليها عند فصل السلاسل المركبة سوف تتوهج بضوء مختلف. وهذا يجعل من الممكن تنفيذ التفاعل في أنبوب اختبار واحد في وقت واحد لجميع النيوكليوتيدات، وتقسيم السلاسل الناتجة حسب الطول، لتحديد النيوكليوتيدات حسب اللون (انظر الشكل 11).

أتاحت مثل هذه الأساليب تحديد تسلسل ليس فقط الجينات الفردية، بل أيضًا قراءة الجينوم بأكمله. حاليًا، تم تطوير طرق أسرع لتحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الجينات. إذا تم فك رموز الجينوم البشري الأول من قبل اتحاد دولي كبير باستخدام الطريقة الأولى في 12 عامًا، والثانية باستخدام الثانية، في ثلاث سنوات، الآن يمكن القيام بذلك في شهر واحد. وهذا يجعل من الممكن التنبؤ بمدى استعداد الشخص للعديد من الأمراض واتخاذ التدابير اللازمة لتجنبها مسبقًا.

كوميكس لمسابقة "بيو/مول/نص": اليوم، سوف يأخذك أنبوب الاختبار الخاص بعلم الأحياء الجزيئي عبر عالم العلوم المذهل - البيولوجيا الجزيئية! سنبدأ برحلة تاريخية عبر مراحل تطورها، ووصف الاكتشافات والتجارب الرئيسية منذ عام 1933. سنخبرك أيضًا بوضوح عن الطرق الرئيسية للبيولوجيا الجزيئية التي مكنت من معالجة الجينات وتغييرها وعزلها. كان ظهور هذه الأساليب بمثابة حافز قوي لتطوير البيولوجيا الجزيئية. دعونا نتذكر أيضًا دور التكنولوجيا الحيوية ونتطرق إلى أحد المواضيع الأكثر شيوعًا في هذا المجال - تحرير الجينوم باستخدام أنظمة CRISPR/Cas.

الراعي العام للمسابقة وشريك ترشيح Skoltech هو .

الجهة الراعية للمسابقة هي شركة Diaem: أكبر مورد للمعدات والكواشف والمواد الاستهلاكية للبحث والإنتاج البيولوجي.

جائزة الجمهور برعاية الشركة.

"كتاب" الراعي الرسمي للمسابقة - "ألبينا غير روائية"

1 المقدمة. جوهر البيولوجيا الجزيئية

يدرس أساسيات حياة الكائنات الحية على مستوى الجزيئات الكبيرة. الهدف من علم الأحياء الجزيئي هو تحديد دور وآليات عمل هذه الجزيئات الكبيرة بناءً على معرفة بنيتها وخصائصها.

تاريخيًا، تشكلت البيولوجيا الجزيئية أثناء تطور مجالات الكيمياء الحيوية التي تدرس الأحماض النووية والبروتينات. بينما تدرس الكيمياء الحيوية عملية التمثيل الغذائي، التركيب الكيميائيالخلايا الحية والكائنات والعمليات الكيميائية التي تتم فيها، يركز علم الأحياء الجزيئي اهتمامه الرئيسي على دراسة آليات نقل وتكاثر وتخزين المعلومات الوراثية.

والهدف من دراسة البيولوجيا الجزيئية هو الأحماض النووية نفسها - الأحماض النووية الريبية منقوص الأكسجين (DNA)، والأحماض الريبية النووية (RNA) - والبروتينات، بالإضافة إلى مجمعاتها الجزيئية - الكروموسومات، والريبوسومات، وأنظمة الإنزيمات المتعددة التي تضمن التخليق الحيوي للبروتينات والجزيئات النووية. الأحماض. البيولوجيا الجزيئيةيقع أيضًا على حدود أهداف البحث ويتزامن جزئيًا مع علم الوراثة الجزيئية وعلم الفيروسات والكيمياء الحيوية وعدد من العلوم البيولوجية الأخرى ذات الصلة.

2. رحلة تاريخية إلى مراحل تطور البيولوجيا الجزيئية

كفرع منفصل من الكيمياء الحيوية، بدأت البيولوجيا الجزيئية في التطور في الثلاثينيات من القرن الماضي. وحتى ذلك الحين، ظهرت الحاجة إلى فهم ظاهرة الحياة على المستوى الجزيئي لدراسة عمليات نقل وتخزين المعلومات الوراثية. في ذلك الوقت تم إنشاء مهمة البيولوجيا الجزيئية في دراسة خصائص وبنية وتفاعل البروتينات والأحماض النووية.

تم استخدام مصطلح "البيولوجيا الجزيئية" لأول مرة في 1933 سنة وليام استبري أثناء دراسة البروتينات الليفية (الكولاجين، فيبرين الدم، بروتينات العضلات المقلصة). درس أستبري العلاقة بين التركيب الجزيئي والخصائص البيولوجية والفيزيائية لهذه البروتينات. في الأيام الأولى للبيولوجيا الجزيئية، كان الحمض النووي الريبوزي (RNA) مكونًا فقط للنباتات والفطريات، وكان الحمض النووي (DNA) مكونًا للحيوانات فقط. و في 1935 أدى اكتشاف أندريه بيلوزيرسكي للحمض النووي للبازلاء إلى إثبات حقيقة أن الحمض النووي موجود في كل خلية حية.

في 1940 في عام 2009، كان الإنجاز الهائل هو تأسيس جورج بيدل وإدوارد تاثام لعلاقة السبب والنتيجة بين الجينات والبروتينات. شكلت فرضية العلماء "جين واحد - إنزيم واحد" الأساس لمفهوم أن البنية المحددة للبروتين تنظمها الجينات. ويعتقد أن المعلومات الوراثية يتم تشفيرها بواسطة تسلسل خاص من النيوكليوتيدات في الحمض النووي، الذي ينظم البنية الأولية للبروتينات. في وقت لاحق ثبت أن العديد من البروتينات لها بنية رباعية. تشارك سلاسل الببتيد المختلفة في تكوين مثل هذه الهياكل. وبناء على ذلك، تم تحويل الحكم المتعلق بالعلاقة بين الجين والإنزيم إلى حد ما، والآن يبدو مثل "جين واحد - ببتيد واحد".

في 1944 وفي عام 2006، أثبت عالم الأحياء الأمريكي أوزوالد أفيري وزملاؤه (كولين ماكليود وماكلين مكارثي) أن المادة التي تسبب تحول البكتيريا هي الحمض النووي، وليس البروتينات. كانت التجربة بمثابة دليل على دور الحمض النووي في نقل المعلومات الوراثية، ومحو المعرفة القديمة حول الطبيعة البروتينية للجينات.

في أوائل الخمسينيات، أظهر فريدريك سانجر أن سلسلة البروتين هي تسلسل فريد من بقايا الأحماض الأمينية. في 1951 و 1952 سنوات، حدد العالم التسلسل الكامل لسلسلتين متعدد الببتيد - الأنسولين البقري في(30 بقايا حمض أميني) و أ(21 بقايا حمض أميني) على التوالي.

في نفس الوقت تقريبًا، في 1951–1953 زز، صاغ إيروين تشارجاف قواعد حول نسبة القواعد النيتروجينية في الحمض النووي. وبحسب القاعدة، بغض النظر عن اختلاف أنواع الكائنات الحية في حمضها النووي، فإن كمية الأدينين (A) تساوي كمية الثايمين (T)، وكمية الجوانين (G) تساوي كمية السيتوزين. (ج).

في 1953 لقد تم إثبات الدور الجيني للحمض النووي. قام جيمس واتسون وفرانسيس كريك، استنادًا إلى نمط حيود الأشعة السينية للحمض النووي الذي حصلت عليه روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز، بتأسيس البنية المكانية للحمض النووي وطرح فرضية، تم تأكيدها لاحقًا، حول آلية تكاثره (التضاعف). ، الذي يكمن وراء الوراثة.

1958 السنة - تشكيل العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية بواسطة فرانسيس كريك: يتم نقل المعلومات الوراثية في اتجاه DNA → RNA → البروتين.

جوهر العقيدة هو أنه يوجد في الخلايا تدفق موجه معين للمعلومات من الحمض النووي، والذي بدوره هو النص الجيني الأصلي الذي يتكون من أربعة أحرف: A، T، G و C. وهو مكتوب في الحلزون المزدوج من الحمض النووي في شكل تسلسل هذه الحروف - النيوكليوتيدات.

هذا النص منقول. والعملية نفسها تسمى النسخ. خلال هذه العملية، يتم تصنيع الحمض النووي الريبي (RNA)، وهو مطابق للنص الجيني، ولكن مع اختلاف: في الحمض النووي الريبي (RNA)، بدلاً من T، يوجد U (اليوراسيل).

ويسمى هذا الحمض النووي الريبي رسول الحمض النووي الريبي (مرنا)، أو مصفوفة (مرنا). إذاعةيتم تنفيذ mRNA باستخدام الشفرة الوراثية في شكل تسلسلات ثلاثية من النيوكليوتيدات. خلال هذه العملية، يتم تحويل نص الأحماض النووية DNA و RNA من نص مكون من أربعة أحرف إلى نص حمض أميني مكون من عشرين حرفًا.

لا يوجد سوى عشرين حمضًا أمينيًا طبيعيًا، ويوجد أربعة أحرف في نص الأحماض النووية. ولهذا السبب، تتم الترجمة من أبجدية مكونة من أربعة أحرف إلى أبجدية مكونة من عشرين حرفًا من خلال الشفرة الوراثية، حيث تتوافق كل ثلاثة نيوكليوتيدات مع حمض أميني. لذلك يمكنك تكوين ما يصل إلى 64 مجموعة مكونة من ثلاثة أحرف من أربعة أحرف، على الرغم من وجود 20 حمضًا أمينيًا، ويترتب على ذلك أن الشفرة الوراثية يجب أن تحتوي بالضرورة على خاصية الانحطاط. ومع ذلك، في ذلك الوقت لم يكن الرمز الجيني معروفًا، ولم يكن قد بدأ حتى في فك شفرته، لكن كريك كان قد صاغ بالفعل عقيدته المركزية.

ومع ذلك، كانت هناك ثقة في ضرورة وجود الكود. وبحلول ذلك الوقت، كان قد ثبت أن هذا الرمز كان ثلاثيًا. وهذا يعني أن ثلاثة أحرف على وجه التحديد في الأحماض النووية ( الكودونات) تتوافق مع أي حمض أميني. لا يوجد سوى 64 من هذه الكودونات، وهي ترمز لـ 20 حمضًا أمينيًا. وهذا يعني أن كل حمض أميني يتوافق مع عدة كودونات في وقت واحد.

وبالتالي، يمكننا أن نستنتج أن العقيدة المركزية هي افتراض ينص على حدوث تدفق موجه للمعلومات في الخلية: DNA → RNA → البروتين. وشدد كريك على المحتوى الرئيسي للعقيدة المركزية: لا يمكن أن يحدث التدفق العكسي للمعلومات، والبروتين غير قادر على تغيير المعلومات الوراثية.

هذا هو المعنى الرئيسي للعقيدة المركزية: البروتين غير قادر على تغيير المعلومات وتحويلها إلى DNA (أو RNA)، ويسير التدفق دائمًا في اتجاه واحد فقط.

بعد مرور بعض الوقت، تم اكتشاف إنزيم جديد، والذي لم يكن معروفًا في وقت صياغة العقيدة المركزية - النسخ العكسي، الذي يقوم بتركيب الحمض النووي من الحمض النووي الريبي (RNA). تم اكتشاف الإنزيم في الفيروسات التي تحتوي على معلومات وراثية مشفرة في الحمض النووي الريبي (RNA) بدلاً من الحمض النووي (DNA). وتسمى هذه الفيروسات الفيروسات القهقرية. لديهم كبسولة فيروسية تحتوي على الحمض النووي الريبي (RNA) وإنزيم خاص. الإنزيم عبارة عن إنزيم ناسخ عكسي، يقوم بتجميع الحمض النووي باستخدام قالب الحمض النووي الريبي الفيروسي، ثم يعمل هذا الحمض النووي كمواد وراثية لمزيد من تطوير الفيروس في الخلية.

وبطبيعة الحال، تسبب هذا الاكتشاف في صدمة كبيرة وكثير من الجدل بين علماء الأحياء الجزيئية، حيث كان يعتقد أنه استنادا إلى العقيدة المركزية، لا يمكن أن يكون ذلك ممكنا. ومع ذلك، أوضح كريك على الفور أنه لم يقل أبدًا أن الأمر مستحيل. لقد قال فقط أن تدفق المعلومات من البروتين إلى الأحماض النووية لا يمكن أن يحدث أبدًا، ولكن داخل الأحماض النووية فإن أي نوع من العمليات ممكن تمامًا: تخليق DNA على DNA، DNA على RNA، RNA على DNA، RNA على RNA.

بمجرد صياغة العقيدة المركزية، لا يزال هناك عدد من الأسئلة: كيف يمكن للأبجدية المكونة من أربعة نيوكليوتيدات التي تشكل الحمض النووي (أو الحمض النووي الريبي) أن ترمز للأبجدية المكونة من 20 حرفًا من الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات؟ ما هو جوهر الشفرة الوراثية؟

الأفكار الأولى حول وجود الشفرة الوراثية صاغها ألكسندر داونز ( 1952 ز.) وجورجي جاموف ( 1954 ز.). لقد أظهر العلماء أن تسلسل النوكليوتيدات يجب أن يتضمن ثلاث وحدات على الأقل. وقد ثبت فيما بعد أن مثل هذا التسلسل يتكون من ثلاث نيوكليوتيدات تسمى كودون (ثلاثية). ومع ذلك، ظلت مسألة تحديد النيوكليوتيدات المسؤولة عن إدراج أي حمض أميني في جزيء البروتين مفتوحة حتى عام 1961.

و في 1961 استخدم مارشال نيرنبرغ وهاينريش ماتي النظام للبث في المختبر. تم استخدام قليل النوكليوتيد كقالب. كان يحتوي فقط على بقايا اليوراسيل، والببتيد المُصنَّع منه يشمل فقط الحمض الأميني فينيل ألانين. وهكذا، تم تحديد معنى الكودون لأول مرة: كودون UUU يشفر الفينيل ألانين. وجد مجال هار القرآن أن تسلسل النيوكليوتيدات UCUCUCUCUC يشفر مجموعة من الأحماض الأمينية سيرين-ليوسين-سيرين-ليوسين. على العموم، بفضل أعمال نيرنبرغ والقرآن 1965 في العام الماضي، تم حل الشفرة الجينية بالكامل. اتضح أن كل ثلاثي يشفر حمض أميني محدد. وترتيب الكودونات يحدد ترتيب الأحماض الأمينية في البروتين.

تمت صياغة المبادئ الأساسية لعمل البروتينات والأحماض النووية في أوائل السبعينيات. لقد تم تسجيل أن تخليق البروتينات والأحماض النووية يتم باستخدام آلية القالب. يحمل جزيء المصفوفة معلومات مشفرة حول تسلسل الأحماض الأمينية أو النيوكليوتيدات. أثناء النسخ أو النسخ، يعمل الحمض النووي كقالب، أثناء الترجمة والنسخ العكسي، يعمل mRNA كقالب.

وهكذا، تم إنشاء المتطلبات الأساسية لتشكيل مجالات البيولوجيا الجزيئية، بما في ذلك الهندسة الوراثية. وفي عام 1972، قام بول بيرج وزملاؤه بتطوير تقنية الاستنساخ الجزيئي. لقد حصل العلماء على أول حمض نووي مؤتلف في المختبر. شكلت هذه الاكتشافات البارزة الأساس لاتجاه جديد في البيولوجيا الجزيئية 1972 ومنذ ذلك الحين، تم اعتبار هذا العام هو تاريخ ميلاد الهندسة الوراثية.

3. طرق البيولوجيا الجزيئية

أدى التقدم الهائل في دراسة الأحماض النووية وبنية الحمض النووي والتخليق الحيوي للبروتين إلى إنشاء عدد من الأساليب التي لها أهمية كبيرة في الطب والزراعة والعلوم بشكل عام.

بعد دراسة الشفرة الوراثية والمبادئ الأساسية لتخزين ونقل وتنفيذ المعلومات الوراثية، أصبحت الأساليب الخاصة ضرورية لمواصلة تطوير البيولوجيا الجزيئية. ستسمح هذه الأساليب بالتلاعب بالجينات وتغييرها وعزلها.

حدث ظهور مثل هذه الأساليب في السبعينيات والثمانينيات. أعطى هذا زخما كبيرا لتطوير البيولوجيا الجزيئية. بادئ ذي بدء، ترتبط هذه الطرق بشكل مباشر بالحصول على الجينات وإدخالها في خلايا الكائنات الحية الأخرى، فضلا عن إمكانية تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الجينات.

3.1. الرحلان الكهربائي للحمض النووي

الرحلان الكهربائي للحمض النوويهي طريقة أساسية للعمل مع الحمض النووي. يتم استخدام الفصل الكهربائي للحمض النووي مع جميع الطرق الأخرى تقريبًا لعزل الجزيئات المطلوبة وتحليل النتائج بشكل أكبر. تُستخدم طريقة الفصل الكهربائي للهلام نفسها لفصل أجزاء الحمض النووي حسب الطول.

قبل أو بعد الرحلان الكهربائي، تتم معالجة الجل بأصباغ يمكن أن ترتبط بالحمض النووي. تتألق الأصباغ تحت الضوء فوق البنفسجي، مما ينتج عنه نمطًا من الخطوط في الجل. لتحديد أطوال شظايا الحمض النووي، يمكن مقارنتها علامات- مجموعات من الأجزاء ذات الأطوال القياسية المطبقة على نفس الجل.

البروتينات الفلورية

عند دراسة الكائنات حقيقية النواة، من المناسب استخدام بروتينات الفلورسنت كجينات علامة. الجين لأول بروتين فلوري أخضر ( بروتين الفلورسنت الأخضر، GFP) معزولة عن قنديل البحر اكويوريا فيكتوريا، وبعد ذلك تم إدخالها إلى الكائنات الحية المختلفة. بعد ذلك، تم عزل جينات البروتينات الفلورية ذات الألوان الأخرى: الأزرق والأصفر والأحمر. للحصول على بروتينات ذات خصائص مثيرة للاهتمام، تم تعديل هذه الجينات بشكل مصطنع.

بشكل عام، أهم أدوات العمل مع جزيء الحمض النووي هي الإنزيمات التي تقوم بعدد من تحولات الحمض النووي في الخلايا: بوليميرات الحمض النووي, روابط الحمض النوويو أنزيمات التقييد (تقييد النواة النووية).

التحوير

التحويريسمى نقل الجينات من كائن حي إلى آخر. وتسمى هذه الكائنات المعدلة وراثيا.

يتم إنتاج مستحضرات البروتين المؤتلف عن طريق نقل الجينات إلى الخلايا الميكروبية. هذه الاستعدادات البروتينية هي في المقام الأول الانترفيرون, الأنسولينوبعض الهرمونات البروتينية، وكذلك البروتينات اللازمة لإنتاج عدد من اللقاحات.

وفي حالات أخرى، يتم استخدام مزارع الخلايا لحقيقيات النوى أو الحيوانات المعدلة وراثيا، ومعظمها من الماشية، التي تفرز البروتينات الضرورية في الحليب. وبهذه الطريقة يتم الحصول على الأجسام المضادة وعوامل تخثر الدم والبروتينات الأخرى. يتم استخدام طريقة النقل الجيني للحصول على نباتات مزروعة مقاومة للآفات ومبيدات الأعشاب، ويتم تنقية مياه الصرف الصحي بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيا.

بالإضافة إلى كل ما سبق، لا غنى عن التقنيات المعدلة وراثيا في البحث العلمي، لأن تطور علم الأحياء يحدث بشكل أسرع باستخدام طرق التعديل ونقل الجينات.

أنزيمات التقييد

تكون التسلسلات التي تتعرف عليها إنزيمات التقييد متناظرة، لذلك يمكن أن يحدث أي نوع من الانقطاعات إما في منتصف مثل هذا التسلسل أو مع تحول في أحد أو كلا شريطي جزيء الحمض النووي.

عندما يتم هضم أي حمض نووي باستخدام إنزيم التقييد، فإن التسلسل الموجود في نهايات الأجزاء سيكون هو نفسه. سيكونون قادرين على الاتصال مرة أخرى لأن لديهم مناطق متكاملة.

يمكنك الحصول على جزيء واحد عن طريق تجميع هذه التسلسلات معًا باستخدام روابط الحمض النووي. ونتيجة لهذا، فمن الممكن الجمع بين شظايا اثنين من الحمض النووي المختلف والحصول على الحمض النووي المؤتلف.

3.2. تفاعل البوليميراز المتسلسل

تعتمد هذه الطريقة على قدرة بوليميرات الحمض النووي على إكمال الشريط الثاني من الحمض النووي على طول الشريط التكميلي بنفس الطريقة التي يتم بها أثناء عملية تكرار الحمض النووي في الخلية.

3.3. تسلسل الحمض النووي

التطور السريع لطريقة التسلسل يجعل من الممكن تحديد خصائص الكائن قيد الدراسة بشكل فعال على مستوى الجينوم الخاص به. والميزة الرئيسية لهذه التقنيات الجينومية وما بعد الجينومية هي زيادة قدرات البحث والدراسة الطبيعة الجينيةالأمراض البشرية، من أجل اتخاذها مقدما التدابير اللازمةوتجنب المرض.

ومن خلال الأبحاث واسعة النطاق، من الممكن الحصول على البيانات اللازمة حول الخصائص الجينية المختلفة لمجموعات مختلفة من الناس، وبالتالي تطوير الأساليب الطبية. ولهذا السبب، فإن تحديد الاستعداد الوراثي لمختلف الأمراض يحظى بشعبية كبيرة اليوم.

يتم تطبيق أساليب مماثلة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم تقريبًا، بما في ذلك في روسيا. ونظرا للتقدم العلمي، يتم إدخال هذه الأساليب في البحوث الطبية و الممارسة الطبيةعمومًا.

4. التكنولوجيا الحيوية

التكنولوجيا الحيوية- التخصص الذي يدرس إمكانيات استخدام الكائنات الحية أو أنظمتها لحل المشكلات التكنولوجية، وكذلك إنشاء كائنات حية ذات الخصائص المطلوبة من خلال الهندسة الوراثية. تطبق التكنولوجيا الحيوية أساليب الكيمياء وعلم الأحياء الدقيقة والكيمياء الحيوية وبالطبع البيولوجيا الجزيئية.

الاتجاهات الرئيسية لتطوير التكنولوجيا الحيوية (يتم إدخال مبادئ عمليات التكنولوجيا الحيوية في إنتاج جميع الصناعات):

1. إنشاء وإنتاج أنواع جديدة من الأغذية والأعلاف الحيوانية.
2. الحصول على ودراسة سلالات جديدة من الكائنات الحية الدقيقة.
3. تربية أصناف جديدة من النباتات وإيجاد وسائل لحماية النباتات من الأمراض والآفات.
4. تطبيق أساليب التكنولوجيا الحيوية لاحتياجات البيئة. تُستخدم طرق التكنولوجيا الحيوية هذه في معالجة التخلص من النفايات والتنظيف مياه الصرفوالهواء العادم والصرف الصحي للتربة.
5. إنتاج الفيتامينات والهرمونات والإنزيمات والأمصال لتلبية احتياجات الدواء. يتطور علماء التكنولوجيا الحيوية بشكل أفضل الأدويةوالتي كانت تعتبر في السابق غير قابلة للشفاء.

الإنجاز الرئيسي للتكنولوجيا الحيوية هو الهندسة الوراثية.

الهندسة الوراثية- مجموعة من التقنيات والأساليب للحصول على جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي (DNA) المؤتلف، وعزل الجينات الفردية من الخلايا، ومعالجة الجينات وإدخالها في كائنات حية أخرى (البكتيريا والخميرة والثدييات). مثل هذه الكائنات قادرة على إنتاج منتجات نهائية ذات خصائص معدلة مرغوبة.

تهدف أساليب الهندسة الوراثية إلى بناء مجموعات جديدة من الجينات لم تكن موجودة سابقًا في الطبيعة.

عند الحديث عن إنجازات الهندسة الوراثية، من المستحيل عدم التطرق إلى موضوع الاستنساخ. استنساخهي إحدى طرق التكنولوجيا الحيوية المستخدمة لإنتاج ذرية متطابقة من كائنات حية مختلفة من خلال التكاثر اللاجنسي.

وبعبارة أخرى، يمكن اعتبار الاستنساخ بمثابة عملية إنشاء نسخ متطابقة وراثيا من كائن حي أو خلية. والكائنات المستنسخة متشابهة أو حتى متطابقة ليس فقط في الخصائص الخارجية، ولكن أيضًا في المحتوى الجيني.

أصبحت النعجة دوللي الشهيرة أول حيوان ثديي يتم استنساخه في عام 1966. تم الحصول عليه عن طريق زرع نواة خلية جسدية في سيتوبلازم البويضة. كانت دوللي نسخة وراثية من الخروف الذي تبرع بنواة الخلية. في الظروف الطبيعية، يتكون الفرد من بويضة واحدة مخصبة، بعد أن تلقى نصف المادة الوراثية من الوالدين. ومع ذلك، أثناء الاستنساخ، تم أخذ المادة الوراثية من خلية فرد واحد. أولاً، تمت إزالة النواة، التي تحتوي على الحمض النووي نفسه، من الزيجوت. ثم استخرجوا النواة من خلية خروف بالغ وزرعوها في تلك اللاقحة الخالية من النواة، ومن ثم تم زرعها في رحم شخص بالغ وأتاحت الفرصة للنمو والتطور.

ومع ذلك، لم تكن كل محاولات الاستنساخ ناجحة. وبالتوازي مع استنساخ دوللي، تم إجراء تجربة استبدال الحمض النووي على 273 بويضة أخرى. ولكن في حالة واحدة فقط كان الحيوان البالغ قادرًا على التطور والنمو بشكل كامل. بعد دوللي، حاول العلماء استنساخ أنواع أخرى من الثدييات.

أحد أنواع الهندسة الوراثية هو تحرير الجينوم.

وتعتمد أداة كريسبر/كاس على عنصر من عناصر نظام الدفاع المناعي للبكتيريا، والذي قام العلماء بتكييفه لإدخال أي تغييرات على الحمض النووي للحيوانات أو النباتات.

كريسبر/كاس هي إحدى طرق التكنولوجيا الحيوية لمعالجة الجينات الفردية في الخلايا. هناك عدد كبير من التطبيقات لهذه التكنولوجيا. يتيح كريسبر/كاس للباحثين معرفة وظيفة الجينات المختلفة. للقيام بذلك، تحتاج ببساطة إلى قطع الجين المعني من الحمض النووي ودراسة وظائف الجسم التي تأثرت.

بعض التطبيقات العملية للنظام:

1. زراعة.يمكن استخدام أنظمة كريسبر/كاس لتحسين المحاصيل. وهي جعلها أكثر لذيذة ومغذية، وكذلك مقاومة للحرارة. من الممكن منح النباتات خصائص أخرى: على سبيل المثال، قطع جين مسبب للحساسية من المكسرات (الفول السوداني أو البندق).
2. الطب، الأمراض الوراثية.هدف العلماء هو استخدام كريسبر/كاس لإزالة الطفرات من الجينوم البشري التي يمكن أن تسبب أمراضًا مثل فقر الدم المنجلي، وما إلى ذلك. ومن الناحية النظرية، باستخدام كريسبر/كاس من الممكن وقف تطور فيروس نقص المناعة البشرية.
3. محرك الجينات.لا يستطيع كريسبر/كاس تغيير جينوم حيوان أو نبات فردي فحسب، بل يمكنه أيضًا تغيير الجينات الخاصة بأحد الأنواع. يُعرف هذا المفهوم باسم "محرك الجينات". ينقل كل كائن حي نصف جيناته إلى نسله. لكن استخدام كريسبر/كاس يمكن أن يزيد من فرصة نقل الجينات بنسبة تصل إلى 100%. وهذا أمر مهم حتى تنتشر السمة المرغوبة بشكل أسرع بين السكان.

لقد قام العلماء السويسريون بتحسين وتحديث طريقة تحرير الجينوم كريسبر/كاس بشكل كبير، وبالتالي توسيع قدراتها. ومع ذلك، لم يتمكن العلماء من تعديل سوى جين واحد في المرة الواحدة باستخدام نظام كريسبر/كاس. ولكن الآن قام الباحثون في ETH Zurich بتطوير طريقة يمكنها تعديل 25 جينا في الخلية في وقت واحد.

وللحصول على أحدث التقنيات، استخدم الخبراء إنزيم Cas12a. نجح علماء الوراثة في استنساخ القرود لأول مرة في التاريخ. "الميكانيكا الشعبية";

نيكولينكو س. (2012). علم الجينوم: بيان المشكلة وطرق التسلسل. "ما بعد العلم".

لقد شهدت البيولوجيا الجزيئية فترة من التطور السريع لطرق البحث الخاصة بها، والتي تختلف الآن عن الكيمياء الحيوية. وتشمل هذه، على وجه الخصوص، أساليب الهندسة الوراثية، والاستنساخ، والتعبير الاصطناعي، وتعطيل الجينات. نظرًا لأن الحمض النووي هو الناقل المادي للمعلومات الوراثية، فقد أصبح البيولوجيا الجزيئية أقرب بكثير إلى علم الوراثة، وقد تم تشكيل علم الوراثة الجزيئية، وهو فرع من علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية، عند التقاطع. وكما يستخدم علم الأحياء الجزيئي الفيروسات على نطاق واسع كأداة بحث، يستخدم علم الفيروسات أساليب البيولوجيا الجزيئية لحل مشاكله. تُستخدم تكنولوجيا الكمبيوتر لتحليل المعلومات الوراثية، وبالتالي ظهرت مجالات جديدة في علم الوراثة الجزيئية، والتي تعتبر أحيانًا تخصصات خاصة: المعلوماتية الحيوية، وعلم الجينوم، وعلم البروتينات.

تاريخ التطور

تم إعداد هذا الاكتشاف الأساسي من خلال فترة طويلة من البحث في علم الوراثة والكيمياء الحيوية للفيروسات والبكتيريا.

في عام 1928، أظهر فريدريك جريفيث لأول مرة أن مستخلص البكتيريا المسببة للأمراض التي تم قتلها بالحرارة يمكن أن ينقل المرض إلى البكتيريا غير الخطرة. أدت دراسة التحول البكتيري في وقت لاحق إلى تنقية العامل الممرض، والذي، على عكس التوقعات، تبين أنه ليس بروتينا، بل حمض نووي. الحمض النووي في حد ذاته ليس خطيرا، فهو يحمل فقط الجينات التي تحدد القدرة المرضية وغيرها من خصائص الكائنات الحية الدقيقة.

في الخمسينيات من القرن العشرين، تبين أن البكتيريا لديها عملية جنسية بدائية، فهي قادرة على تبادل الحمض النووي خارج الصبغي والبلازميدات. شكل اكتشاف البلازميدات، وكذلك التحول، أساس تكنولوجيا البلازميدات المنتشرة في البيولوجيا الجزيئية. ومن الاكتشافات المهمة الأخرى للمنهجية اكتشاف الفيروسات البكتيرية والعاثيات في بداية القرن العشرين. يمكن للعاثيات أيضًا نقل المادة الوراثية من خلية بكتيرية إلى أخرى. تؤدي عدوى البكتيريا بالعاثيات إلى تغيرات في تكوين الحمض النووي الريبي البكتيري. إذا كان تكوين الحمض النووي الريبي (RNA) بدون العاثيات مشابهًا لتكوين الحمض النووي البكتيري، فبعد الإصابة، يصبح الحمض النووي الريبي (RNA) أكثر تشابهًا مع الحمض النووي للعاثية. وهكذا، ثبت أن بنية الحمض النووي الريبي (RNA) يتم تحديدها من خلال بنية الحمض النووي (DNA). بدوره، يعتمد معدل تخليق البروتين في الخلايا على كمية مجمعات البروتين RNA. هذه هي الطريقة التي تمت صياغتها العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية:الحمض النووي ↔ الحمض النووي الريبي → البروتين.

كان التطوير الإضافي للبيولوجيا الجزيئية مصحوبًا بتطوير منهجيته، على وجه الخصوص، اختراع طريقة لتحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي (W. Gilbert and F. Sanger، جائزة نوبل في الكيمياء 1980)، والاكتشافات الجديدة في مجال البحث في بنية وعمل الجينات (انظر تاريخ علم الوراثة). بحلول بداية القرن الحادي والعشرين، تم الحصول على بيانات حول البنية الأولية لجميع الحمض النووي لدى البشر وعدد من الكائنات الحية الأخرى الأكثر أهمية للطب، زراعةوالبحث العلمي، مما أدى إلى ظهور عدة اتجاهات جديدة في علم الأحياء: علم الجينوم، والمعلوماتية الحيوية، وما إلى ذلك.

أنظر أيضا

• البيولوجيا الجزيئية (مجلة)
• علم النسخ
• علم الحفريات الجزيئية
• EMBO - المنظمة الأوروبية لعلماء الأحياء الجزيئية

الأدب

• المغني م.، بيرج ب.الجينات والجينومات. - موسكو 1998.
• ستنت جي، كاليندار آر.علم الوراثة الجزيئية. - موسكو 1981.
• سامبروك جيه، فريتش إي إف، مانياتيس تي.الاستنساخ الجزيئي. - 1989.
• باتروشيف إل.التعبير الجيني. - م: نوكا، 2000. - 000 ص، مريض. ردمك 5-02-001890-2

روابط

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

• منطقة أرداتوفسكي، منطقة نيجني نوفغورود
• منطقة أرزاماس في منطقة نيجني نوفغورود

انظر ما هو "البيولوجيا الجزيئية" في القواميس الأخرى:

البيولوجيا الجزيئية- الدراسات الأساسية خصائص ومظاهر الحياة على المستوى الجزيئي. أهم الاتجاهات في M. b. هي دراسات التنظيم الهيكلي والوظيفي للجهاز الوراثي للخلايا وآلية تنفيذ المعلومات الوراثية... ... القاموس الموسوعي البيولوجي

البيولوجيا الجزيئية- يستكشف الخصائص والمظاهر الأساسية للحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى يحدث نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحويل الطاقة في الخلايا الحية وغيرها من الظواهر... القاموس الموسوعي الكبير

البيولوجيا الجزيئية الموسوعة الحديثة

البيولوجيا الجزيئية- البيولوجيا الجزيئية، الدراسة البيولوجية لبنية وعمل الجزيئات التي تشكل الكائنات الحية. تشمل المجالات الرئيسية للدراسة الجسدية و الخواص الكيميائيةالبروتينات والأحماض النووية مثل الحمض النووي. أنظر أيضا… … القاموس الموسوعي العلمي والتقني

البيولوجيا الجزيئية- قسم من علم الأحياء يستكشف الخصائص والمظاهر الأساسية للحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحويل الطاقة في الخلايا الحية و... ... قاموس علم الأحياء الدقيقة

البيولوجيا الجزيئية- - موضوعات التكنولوجيا الحيوية EN البيولوجيا الجزيئية ... دليل المترجم الفني

البيولوجيا الجزيئية- البيولوجيا الجزيئية، تستكشف الخصائص الأساسية ومظاهر الحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحويل الطاقة في الخلايا الحية و... ... القاموس الموسوعي المصور

البيولوجيا الجزيئية- علم يهدف إلى فهم طبيعة الظواهر الحياتية من خلال دراسة الأجسام والأنظمة البيولوجية على مستوى يقترب من المستوى الجزيئي، وفي بعض الحالات يصل إلى هذا الحد. الهدف النهائي هو...... الموسوعة السوفيتية الكبرى

البيولوجيا الجزيئية- يدرس ظواهر الحياة على مستوى الجزيئات الكبيرة (أساسا البروتينات والأحماض النووية) في الهياكل الخالية من الخلايا (الريبوسومات، وما إلى ذلك)، في الفيروسات، وكذلك في الخلايا. الغرض م. ب. تحديد دور وآلية عمل هذه الجزيئات الكبيرة بناءً على... ... الموسوعة الكيميائية

البيولوجيا الجزيئية- يستكشف الخصائص والمظاهر الأساسية للحياة على المستوى الجزيئي. يكتشف كيف وإلى أي مدى نمو وتطور الكائنات الحية، وتخزين ونقل المعلومات الوراثية، وتحول الطاقة في الخلايا الحية وغيرها من الظواهر... ... القاموس الموسوعي

كتب

• البيولوجيا الجزيئية للخلايا. مجموعة من المشاكل، ج. ويلسون، ت. هانت. الكتاب من تأليف مؤلفين أمريكيين هو ملحق للطبعة الثانية من كتاب "البيولوجيا الجزيئية للخلية" من تأليف ب.

البيولوجيا الجزيئية،علم يهدف إلى فهم طبيعة الظواهر الحياتية من خلال دراسة الأجسام والأنظمة البيولوجية على مستوى يقترب من المستوى الجزيئي، وفي بعض الحالات يصل إلى هذا الحد. الهدف النهائي هو معرفة كيف وإلى أي مدى المظاهر المميزة للحياة، مثل الوراثة، والتكاثر من نوعها، والتخليق الحيوي للبروتين، والإثارة، والنمو والتطور، وتخزين ونقل المعلومات، وتحولات الطاقة، والتنقل، وما إلى ذلك. ، يتم تحديدها من خلال بنية وخصائص وتفاعل جزيئات المواد المهمة بيولوجيًا، وفي المقام الأول فئتان رئيسيتان من البوليمرات الحيوية عالية الجزيئية - البروتينات والأحماض النووية. سمة مميزة لـ M. b. - دراسة الظواهر الحياتية على الجمادات أو تلك التي تتميز بأبسط مظاهر الحياة. وهي التكوينات البيولوجية من المستوى الخلوي وما دونه: العضيات تحت الخلوية، مثل نواة الخلية المعزولة، والميتوكوندريا، والريبوسومات، والكروموسومات، وأغشية الخلايا؛ علاوة على ذلك - الأنظمة التي تقف على حدود الطبيعة الحية وغير الحية - الفيروسات، بما في ذلك العاثيات، وتنتهي بالجزيئات المكونات الأساسيةالمادة الحية - الأحماض النووية والبروتينات.

الأساس الذي تطور عليه M. b. تم وضعه من خلال علوم مثل علم الوراثة، والكيمياء الحيوية، وعلم وظائف الأعضاء للعمليات الأولية، وما إلى ذلك. ووفقًا لأصول تطوره، فقد وضع M. b. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم الوراثة الجزيئية، والذي لا يزال يشكل جزءًا مهمًا

سمة مميزة لـ M. b. هو ثلاثي الأبعاد. جوهر م. ب. يرى M. Perutz أنه يفسر الوظائف البيولوجية من حيث التركيب الجزيئي. م.ب. يهدف إلى الحصول على إجابات لسؤال "كيف"، بعد أن تعلم جوهر دور ومشاركة بنية الجزيء بأكملها، وعلى الأسئلة "لماذا" و"لماذا"، بعد أن اكتشف، من ناحية، الروابط بين خصائص الجزيء (مرة أخرى، البروتينات والأحماض النووية بشكل أساسي) والوظائف التي يؤديها، ومن ناحية أخرى، دور هذه الوظائف الفردية في المجموعة الشاملة لمظاهر الحياة.

أهم إنجازات علم الأحياء الجزيئي.فيما يلي قائمة بعيدة عن أن تكون كاملة من هذه الإنجازات: اكتشاف هيكل وآلية الوظيفة البيولوجية للحمض النووي، وجميع أنواع الحمض النووي الريبي (RNA) والريبوسومات، واكتشاف الكود الوراثي؛ اكتشاف النسخ العكسي، أي تخليق الحمض النووي على قالب الحمض النووي الريبي (RNA)؛ دراسة آليات عمل أصباغ الجهاز التنفسي. اكتشاف البنية ثلاثية الأبعاد ودورها الوظيفي في عمل الإنزيمات، ومبدأ تخليق المصفوفة وآليات التخليق الحيوي للبروتين؛ الكشف عن بنية الفيروسات وآليات تكرارها، والبنية المكانية الأولية والجزئية للأجسام المضادة؛ عزل الجينات الفردية، والتوليف الكيميائي ثم البيولوجي (الإنزيمي) للجين، بما في ذلك الجين البشري، خارج الخلية (في المختبر)؛ نقل الجينات من كائن حي إلى آخر، بما في ذلك الخلايا البشرية؛ التقدم السريع في فك رموز التركيب الكيميائي لعدد متزايد من البروتينات الفردية، وخاصة الإنزيمات، وكذلك الأحماض النووية؛ الكشف عن ظواهر "التجميع الذاتي" لبعض الكائنات البيولوجية ذات التعقيد المتزايد، بدءاً من جزيئات الحمض النووي والانتقال إلى الإنزيمات متعددة المكونات والفيروسات والريبوسومات وما إلى ذلك؛ توضيح المبادئ الأساسية الأخرى لتنظيم الوظائف والعمليات البيولوجية.

مشاكل البيولوجيا الجزيئية.جنبا إلى جنب مع المهام الهامة المشار إليها لـ M. b. (معرفة قوانين "الاعتراف" والتجمع الذاتي والتكامل) الاتجاه الملح للبحث العلمي في المستقبل القريب هو تطوير الأساليب التي تجعل من الممكن فك رموز الهيكل، ومن ثم التنظيم المكاني ثلاثي الأبعاد الأحماض النووية عالية الجزيئية. جميع الأساليب الأكثر أهمية، والتي يضمن استخدامها ظهور ونجاح البيولوجيا الجزيئية، تم اقتراحها وتطويرها من قبل الفيزيائيين (الطرد المركزي الفائق، تحليل حيود الأشعة السينية، المجهر الإلكتروني، الرنين المغناطيسي النووي، وما إلى ذلك). تقريبا جميع الأساليب التجريبية الفيزيائية الجديدة (على سبيل المثال، استخدام أجهزة الكمبيوتر، السنكروترون، أو bremsstrahlung، والإشعاع، وتكنولوجيا الليزر، وما إلى ذلك) تفتح فرصا جديدة لدراسة متعمقة لمشاكل البيولوجيا الجزيئية. ومن أهم المشاكل العملية التي ينتظر الإجابة عليها من م.ب، في المقام الأول مشكلة الأساس الجزيئي للنمو الخبيث، ثم - طرق الوقاية، وربما التغلب على الأمراض الوراثية - "الأمراض الجزيئية" ". سيكون توضيح الأساس الجزيئي للتحفيز البيولوجي، أي عمل الإنزيمات، ذا أهمية كبيرة. من بين أهمها الاتجاهات الحديثةم.ب. يجب أن تتضمن الرغبة في فك رموز الآليات الجزيئية لعمل الهرمونات والمواد السامة والطبية، وكذلك معرفة تفاصيل التركيب الجزيئي وعمل الهياكل الخلوية مثل الأغشية البيولوجية المشاركة في تنظيم عمليات الاختراق و نقل المواد. الأهداف البعيدة لـ M. b. - معرفة طبيعة العمليات العصبية وآليات الذاكرة وغيرها. ومن الأقسام المهمة الناشئة في كتاب M. b. - ما يسمى الهندسة الوراثية، والتي تهدف إلى تشغيل الجهاز الوراثي (الجينوم) للكائنات الحية بشكل هادف، من الميكروبات والكائنات الحية السفلية (أحادية الخلية) إلى البشر (في الحالة الأخيرة، في المقام الأول لغرض العلاج الجذري للأمراض الوراثية وتصحيح الجينات الوراثية). عيوب).

أهم مجالات MB:

– الوراثة الجزيئية – دراسة التنظيم الهيكلي والوظيفي للجهاز الجيني للخلية وآلية تنفيذ المعلومات الوراثية

– علم الفيروسات الجزيئي – دراسة الآليات الجزيئية لتفاعل الفيروسات مع الخلايا

– علم المناعة الجزيئي – دراسة أنماط ردود الفعل المناعية للجسم

– علم الأحياء التطوري الجزيئي – دراسة ظهور نوعية مختلفة من الخلايا أثناء التطور الفردي للكائنات الحية وتخصص الخلايا

الأهداف الرئيسية للبحث: الفيروسات (بما في ذلك العاثيات)، الخلايا والهياكل التحت خلوية، الجزيئات الكبيرة، الكائنات متعددة الخلايا.