Primijenjena molekularna biologija. Molekularni biolog. Opis posla Metode molekularne biologije

Napredak u proučavanju nukleinskih kiselina i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velikog praktičnog značaja u medicini, poljoprivredi i nizu drugih industrija.

Nakon proučavanja genetskog koda i osnovnih principa pohranjivanja i implementacije nasljednih informacija, razvoj molekularne biologije je stao, jer nije bilo metoda koje su omogućavale manipuliranje genima, njihovo izolovanje i promjenu. Pojava ovih metoda dogodila se 1970-1980-ih godina. To je dalo snažan podsticaj razvoju ove oblasti nauke koja i danas cveta. Pre svega, ove metode se tiču dobijanja pojedinačnih gena i njihovog uvođenja u ćelije drugih organizama (molekularno kloniranje i transgeneza, PCR), kao i metoda za određivanje sekvence nukleotida u genima (sekvencioniranje DNK i RNK). Ove metode će biti detaljnije razmotrene u nastavku. Počećemo od najjednostavnije osnovne metode, elektroforeze, a zatim prelazimo na složenije metode.

DNK ELEKTROFOREZA

To je osnovna metoda rada sa DNK, koja se koristi uz gotovo sve druge metode za izolaciju željenih molekula i analizu rezultata. Gel elektroforeza se koristi za razdvajanje fragmenata DNK po dužini. DNK je kiselina, njeni molekuli sadrže ostatke fosforne kiseline, koji odvajaju proton i dobijaju negativan naboj (slika 1).

Stoga, u električno polje Molekuli DNK kreću se prema anodi – pozitivno nabijenoj elektrodi. To se događa u otopini elektrolita koja sadrži ione nosioca naboja, zbog kojih ova otopina provodi struju. Za odvajanje fragmenata koristi se gusti gel napravljen od polimera (agaroza ili poliakrilamid). Molekuli DNK se u njega „zapliću“ što su duže, pa se stoga najduži molekuli kreću najsporije, a najkraći – najbrže (slika 2). Prije ili poslije elektroforeze, gel se tretira bojama koje se vezuju za DNK i fluoresciraju u ultraljubičastom svjetlu, te se dobije uzorak traka u gelu (vidi sliku 3). Da bi se odredile dužine fragmenata DNK u uzorku, oni se upoređuju sa markerom, odnosno skupom fragmenata standardne dužine koji su paralelno deponovani na isti gel (slika 4).

Najvažniji alati za rad s DNK su enzimi koji vrše transformacije DNK u živim stanicama: DNK polimeraze, DNK ligaze i restrikcijske endonukleaze, odnosno restrikcijski enzimi. DNK polimeraza Izvodi se sinteza DNK šablona, što omogućava razmnožavanje DNK u epruveti. DNK ligaze sašiti molekule DNK ili zacijeliti praznine u njima. Restrikcijske endonukleaze, ili restriktaze, izrezati molekule DNK prema strogo definiranim sekvencama, što vam omogućava da izrežete pojedinačne fragmente iz ukupne mase DNK. Ovi fragmenti mogu u nekim slučajevima sadržavati pojedinačne gene.

restriktaze

Sekvence koje prepoznaju restrikcijski enzimi su simetrične, a prekidi mogu nastati u sredini takve sekvence ili sa pomakom (na istom mjestu u oba lanca DNK). Šema djelovanja različite vrste restriktaza je prikazana na sl. 1. U prvom slučaju dobijaju se takozvani "tupi" krajevi, a u drugom - "lepljivi" krajevi. U slučaju "ljepljivih" krajeva dna, lanac je kraći od drugog, formira se jednolančani dio sa simetričnim nizom koji je isti na oba kraja formiran.

Krajnje sekvence će biti iste kada se bilo koja DNK cijepa datim restrikcijskim enzimom i može se ponovo spojiti jer imaju komplementarne sekvence. Mogu se povezati sa DNK ligazom kako bi se formirao jedan molekul. Tako je moguće spojiti fragmente dvije različite DNK i dobiti tzv rekombinantna DNK. Ovaj pristup se koristi u metodi molekularnog kloniranja, što omogućava dobivanje pojedinačnih gena i njihovo uvođenje u stanice koje mogu formirati protein kodiran u genu.

molekularno kloniranje

Molekularno kloniranje koristi dva molekula DNK - umetak koji sadrži gen od interesa, i vektor- DNK se ponaša kao nosilac. Insert se uz pomoć enzima „ušije“ u vektor, čime se dobija nova, rekombinantna molekula DNK, zatim se ovaj molekul unosi u ćelije domaćina i te ćelije formiraju kolonije na hranljivom mediju. Kolonija je potomstvo jedne ćelije, odnosno klon, sve ćelije kolonije su genetski identične i sadrže istu rekombinantnu DNK. Otuda i pojam "molekularno kloniranje", odnosno dobijanje klona ćelija koji sadrži fragment DNK koji nas zanima. Nakon što dobijemo kolonije koje sadrže insert koji nas zanima, možemo razne metode da okarakterišemo ovaj umetak, na primer, da odredimo njegov tačan niz. Ćelije također mogu proizvesti protein koji je kodiran umetkom ako sadrži funkcionalni gen.

Kada se rekombinantni molekul unese u ćelije, dolazi do genetske transformacije ovih ćelija. Transformacija- proces apsorpcije od strane ćelije organizma slobodne molekule DNK iz okoline i njene integracije u genom, što dovodi do pojave u takvoj ćeliji novih za nju naslednih osobina, karakterističnih za organizam-donora DNK . Na primjer, ako umetnuta molekula sadrži gen za otpornost na antibiotik ampicilin, tada će transformirane bakterije rasti u njegovoj prisutnosti. Prije transformacije, ampicilin je izazvao njihovu smrt, odnosno pojavio se novi znak u transformiranim stanicama.

VEKTORI

Vektor mora imati nekoliko svojstava:

Prvo, to je relativno mali DNK molekul kojim se lako manipuliše.

Drugo, da bi se DNK očuvala i reprodukovala u ćeliji, ona mora sadržavati određenu sekvencu koja osigurava njenu replikaciju (porijeklo replikacije, odnosno porijeklo replikacije).

Treće, mora sadržavati marker gen, što osigurava odabir samo onih ćelija u koje je vektor ušao. Obično su to geni otpornosti na antibiotike – tada u prisustvu antibiotika sve ćelije koje ne sadrže vektor umiru.

Kloniranje gena najčešće se provodi u bakterijskim stanicama, jer se one lako uzgajaju i brzo se razmnožavaju. U bakterijskoj ćeliji obično postoji jedna velika kružna molekula DNK, duga nekoliko miliona parova baza, koja sadrži sve gene neophodne za bakterije – bakterijski hromozom. Pored nje, u nekim bakterijama postoji mala (nekoliko hiljada parova baza) kružna DNK, tzv plazmidi(Sl. 2). Oni, kao i glavna DNK, sadrže nukleotidnu sekvencu koja daje sposobnost DNK da se replicira (ori). Plazmidi se repliciraju nezavisno od glavne (hromozomske) DNK, stoga su prisutni u ćeliji u velikom broju kopija. Mnogi od ovih plazmida nose gene otpornosti na antibiotike, što omogućava razlikovanje ćelija koje nose plazmid od normalnih ćelija. Češće se koriste plazmidi koji nose dva gena koji daju otpornost na dva antibiotika, kao što su tetraciklin i amicilin. Postoje jednostavne metode za izolaciju takve plazmidne DNK bez DNK glavnog hromozoma bakterije.

ZNAČAJ TRANSGENEZE

Prenos gena iz jednog organizma u drugi se naziva transgeneza, i slično modifikovani organizmi - transgenic. Metoda prenosa gena u mikrobne ćelije koristi se za dobijanje rekombinantnih proteinskih preparata za medicinu, posebno humanih proteina koji ne izazivaju odbacivanje imunog sistema - interferona, insulina i drugih proteinskih hormona, faktora rasta ćelija, kao i proteina za proizvodnju vakcine. U složenijim slučajevima, kada se modifikacija proteina provodi ispravno samo u eukariotskim stanicama, koriste se transgene ćelijske kulture ili transgene životinje, posebno stoka (prvenstveno koze), koje luče potrebne proteine u mlijeko, ili se proteini izoluju iz njihove krvi. . Tako se dobijaju antitela, faktori zgrušavanja krvi i drugi proteini. Metodom transgeneze dobijaju se kultivisane biljke koje su otporne na herbicide i štetočine i imaju druge korisna svojstva. Koristeći transgene mikroorganizme za pročišćavanje otpadnih voda i borbu protiv zagađenja, postoje čak i transgeni mikrobi koji mogu razgraditi naftu. Osim toga, transgene tehnologije su nezamjenjive u naučnim istraživanjima – razvoj biologije danas je nezamisliv bez rutinske upotrebe metoda modifikacije gena i transfera.

tehnologija molekularnog kloniranja

umetci

Da bi se dobio pojedinačni gen iz bilo kojeg organizma, sva hromozomska DNK se izoluje iz njega i cijepa s jednim ili dva restrikcijska enzima. Enzimi su odabrani tako da ne režu gen koji nas zanima, već prave lomove duž njegovih rubova, a u plazmidnoj DNK naprave jedan prekid u jednom od gena otpornosti, na primjer, na ampicilin.

Proces molekularnog kloniranja uključuje sljedeće korake:

Izrežite i zašijte - konstrukcija jedne rekombinantne molekule od umetka i vektora.

Transformacija je uvođenje rekombinantnog molekula u ćelije.

Selekcija - odabir ćelija koje su primile vektor sa umetkom.

sečenje i šivanje

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

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

transformacija

Zatim se izvodi ova mješavina genetska transformacija bakterije koje ne sadrže plazmide. Transformacija- proces apsorpcije od strane ćelije organizma slobodne molekule DNK iz okoline i njene integracije u genom, što dovodi do pojave u takvoj ćeliji novih za nju naslednih osobina, karakterističnih za organizam-donora DNK . Samo jedan plazmid može ući i razmnožavati se u svakoj ćeliji. Takve ćelije se stavljaju na čvrstu hranljivu podlogu koja sadrži antibiotik tetraciklin. Ćelije koje nisu dobile plazmid neće rasti na ovom mediju, a ćelije koje nose plazmid formiraju kolonije od kojih svaka sadrži potomke samo jedne ćelije, tj. sve ćelije u koloniji nose isti plazmid (vidi sliku 5).

Odabir

Zatim, zadatak je da se izoluju samo ćelije u koje je vektor sa umetkom ušao i da se razlikuju od ćelija koje nose samo vektor bez umetanja ili ga uopšte ne nose. Ovaj proces odabira pravih ćelija se zove izbor. Za ovo, prijavite se selektivni markeri- obično geni otpornosti na antibiotike u vektoru, i selektivni mediji koji sadrže antibiotike ili druge selektivne supstance.

U primjeru koji razmatramo, ćelije iz kolonija uzgojenih u prisutnosti ampicilina su subkultivirane na dvije podloge: prva sadrži ampicilin, a druga tetraciklin. Kolonije koje sadrže samo plazmid će rasti na obe podloge, dok kolonije koje sadrže umetnutu hromozomsku DNK u plazmidima neće rasti na medijumu sa tetraciklinom (slika 5). Među njima se posebnim metodama odabiru oni koji sadrže gen koji nas zanima, uzgajaju se u dovoljnim količinama i izoluje se plazmidna DNK. Iz njega je, koristeći iste restriktaze koje su korištene za dobivanje rekombinantne DNK, izrezan pojedinačni gen od interesa. DNK ovog gena može se koristiti za određivanje sekvence nukleotida, uvođenje u bilo koji organizam kako bi se dobila nova svojstva ili sintetizirao željeni protein. Ova metoda izolacije gena se zove molekularno kloniranje.

FLUORESCENTNI PROTEINI

Veoma je zgodno koristiti fluorescentne proteine kao marker gene u studijama eukariotskih organizama. Gen za prvi fluorescentni protein, zeleni fluorescentni protein (GFP) izolovan je iz meduze Aqeuorea victoria i uveden u različite modele organizama (vidi sliku 6). Godine 2008. O. Shimomura, M. Chalfi i R. Tsien dobili su Nobelovu nagradu za otkriće i primjenu ovog proteina.

Zatim su izolovani geni za druge fluorescentne proteine - crvene, plave, žute. Ovi geni su umjetno modificirani za proizvodnju proteina željena svojstva. Raznolikost fluorescentnih proteina prikazana je na sl. 7, koja prikazuje Petrijevu posudu s bakterijama koje sadrže gene za različite fluorescentne proteine.

primjena fluorescentnih proteina

Gen fluorescentnog proteina može se spojiti sa genom bilo kojeg drugog proteina, tada će se tokom translacije formirati jedan protein - translacijski fuzioni protein, ili fuzija(fuzioni protein), koji fluorescira. Tako je moguće proučavati, na primjer, lokalizaciju (lokaciju) bilo kojeg proteina od interesa u ćeliji, njihovo kretanje. Koristeći ekspresiju fluorescentnih proteina samo u određenim tipovima ćelija, moguće je označiti ćelije ovih tipova u višećelijskom organizmu (vidi sliku 8 – mozak miša, u kojem pojedini neuroni imaju različite boje zbog određene kombinacije fluorescentnih proteinskih gena). Fluorescentni proteini su nezamjenjiv alat u modernoj molekularnoj biologiji.

PCR

Druga metoda za dobijanje gena se zove lančana reakcija polimeraze (PCR). Zasniva se na sposobnosti DNK polimeraza da kompletiraju drugi lanac DNK duž komplementarnog lanca, kao što se dešava u ćelijama tokom replikacije DNK.

Porijeklo replikacije u ovoj metodi je dato dvama malim dijelovima DNK tzv sjemenke, ili prajmeri. Ovi prajmeri su komplementarni krajevima gena od interesa na dva lanca DNK. Prvo se hromozomska DNK iz koje treba izolovati gen pomešati sa semenkama i zagrejati na 99°C. To dovodi do kidanja vodoničnih veza i divergencije lanaca DNK. Nakon toga temperatura se spušta na 50-70 o C (u zavisnosti od dužine i redosleda semena). Pod ovim uslovima, prajmeri su vezani za komplementarne regione hromozomske DNK, formirajući pravilnu dvostruku spiralu (vidi sliku 9). Nakon toga se dodaje mješavina sva četiri nukleotida potrebna za sintezu DNK i DNK polimeraze. Enzim izdužuje prajmere izgradnjom dvolančane DNK od tačke vezivanja prajmera, tj. od krajeva gena do kraja jednolančanog hromozomskog molekula.

Ako se smjesa ponovo zagrije, hromozomski i novosintetizirani lanci će se raspršiti. Nakon hlađenja ponovo će im se spojiti sjemenke koje se uzimaju u velikom višku (vidi sliku 10).

Na novosintetiziranim lancima spojit će se ne do kraja s kojeg je započela prva sinteza, već do suprotnog, budući da su lanci DNK antiparalelni. Stoga će u drugom ciklusu sinteze na takvim lancima biti završena samo sekvenca koja odgovara genu (vidi sliku 11).

Ova metoda koristi DNK polimerazu iz termofilnih bakterija koja može izdržati ključanje i djeluje na temperaturama od 70-80°C, ne mora se dodavati svaki put, ali je dovoljno dodati na početku eksperimenta. Ponavljanjem postupaka zagrijavanja i hlađenja u istom nizu, možemo udvostručiti broj sekvenci u svakom ciklusu, ograničenih na oba kraja unesenim sjemenkama (vidi sliku 12).

Nakon otprilike 25 takvih ciklusa, broj kopija gena će se povećati za više od milion puta. Takve količine se lako mogu odvojiti od hromozomske DNK koja se unosi u epruvetu i koristi u različite svrhe.

DNK sekvenciranje

Još jedno značajno dostignuće je razvoj metoda za određivanje sekvence nukleotida u DNK - DNK sekvenciranje(od engleskog sekvenca - sekvenca). Da biste to učinili, potrebno je dobiti gene čiste iz druge DNK pomoću jedne od opisanih metoda. Zatim se lanci DNK odvajaju zagrijavanjem i na njih se dodaje prajmer označen radioaktivnim fosforom ili fluorescentna oznaka. Imajte na umu da se uzima jedno sjeme, komplementarno jednom lancu. Zatim se dodaju DNK polimeraza i mješavina od 4 nukleotida. Takva smjesa se dijeli na 4 dijela i svakom se dodaje po jedan nukleotid, modificiran tako da ne sadrži hidroksilnu grupu na trećem atomu deoksiriboze. Ako je takav nukleotid uključen u sintetizirani lanac DNK, tada se njegovo elongacija neće moći nastaviti, jer polimeraza neće imati gde da prikači sledeći nukleotid. Zbog toga je sinteza DNK nakon uključivanja takvog nukleotida prekinuta. Ovi nukleotidi, zvani dideoksinukleotidi, dodaju se mnogo manje nego inače, tako da se prekid lanca događa samo povremeno i u svakom lancu na različitim mjestima. Rezultat je mješavina lanaca različite dužine, na kraju svakog od njih je isti nukleotid. Dakle, dužina lanca odgovara broju nukleotida u proučavanom nizu, na primjer, ako smo imali adenil dideoksinukleotid, a rezultirajući lanci su bili dugi 2, 7 i 12 nukleotida, tada je adenin bio na drugoj, sedmoj i dvanaestoj poziciji u gen. Rezultirajuća mješavina lanaca može se lako razdvojiti po veličini pomoću elektroforeze, a sintetizirani lanci se mogu identificirati radioaktivnošću na rendgenskom filmu (vidi sliku 10).

Ispostavilo se da je slika prikazana na dnu slike, nazvana radioautogram. Krećući se po njoj odozdo prema gore i čitajući slovo iznad kolona svake zone, dobićemo sekvencu nukleotida prikazanu na slici desno od autograma. Ispostavilo se da sintezu zaustavljaju ne samo dideoksinukleotidi, već i nukleotidi u kojima je neka hemijska grupa, na primer, fluorescentna boja, vezana za treću poziciju šećera. Ako je svaki nukleotid označen svojom bojom, tada će zone dobivene odvajanjem sintetiziranih lanaca svijetliti drugačijim svjetlom. Ovo omogućava da se reakcija izvede u jednoj epruveti istovremeno za sve nukleotide i, razdvajanjem rezultujućih lanaca po dužini, da se nukleotidi identifikuju po boji (vidi sliku 11).

Takve metode su omogućile određivanje sekvenci ne samo pojedinačnih gena, već i čitanje cijelih genoma. Sada su razvijene još brže metode za određivanje nukleotidnih sekvenci u genima. Ako je prvi ljudski genom veliki međunarodni konzorcijum dešifrovao prvim datim metodom za 12 godina, drugi, drugom, za tri godine, sada se to može uraditi za mesec dana. To vam omogućava da predvidite predispoziciju osobe za mnoge bolesti i unaprijed preduzmete mjere kako biste ih izbjegli.

Strip za konkurs "bio/mol/tekst": Danas će vas epruveta molekularnog biologa voditi kroz svijet nevjerovatne nauke - molekularne biologije! Počet ćemo s povijesnim izletom kroz faze njegovog razvoja, opisati ćemo glavna otkrića i eksperimente od 1933. godine. Također ćemo jasno opisati glavne metode molekularne biologije, koje su omogućile manipulaciju genima, njihovu promjenu i izolaciju. Pojava ovih metoda poslužila je kao snažan poticaj razvoju molekularne biologije. A prisjetimo se i uloge biotehnologije i dotaknimo se jedne od najpopularnijih tema u ovoj oblasti - uređivanja genoma pomoću CRISPR/Cas sistema.

Generalni sponzor takmičenja i partner Skoltech nominacije je .

Pokrovitelj takmičenja je kompanija Diaem: najveći dobavljač opreme, reagensa i potrošnog materijala za biološka istraživanja i proizvodnju.

Kompanija je sponzorisala nagradu publike.

"Knjiga" pokrovitelj takmičenja - "Alpina non-fiction"

1. Uvod. Suština molekularne biologije

Proučava osnove vitalne aktivnosti organizama na nivou makromolekula. Cilj molekularne biologije je utvrditi ulogu i mehanizme funkcionisanja ovih makromolekula na osnovu znanja o njihovoj strukturi i svojstvima.

Istorijski gledano, molekularna biologija je nastala tokom razvoja oblasti biohemije koje proučavaju nukleinske kiseline i proteine. Dok je biohemija proučavanje metabolizma, hemijski sastavživim ćelijama, organizmima i hemijskim procesima koji se u njima odvijaju, molekularna biologija se fokusira na proučavanje mehanizama prenosa, reprodukcije i skladištenja genetskih informacija.

A predmet proučavanja molekularne biologije su same nukleinske kiseline - deoksiribonukleinska (DNK), ribonukleinska (RNA) - i proteini, kao i njihovi makromolekularni kompleksi - hromozomi, ribozomi, multienzimski sistemi koji obezbeđuju biosintezu proteina i nukleinskih kiselina. Molekularna biologija takođe graniči sa objektima istraživanja i delimično se poklapa sa molekularnom genetikom, virusologijom, biohemijom i nizom drugih srodnih bioloških nauka.

2. Istorijski izlet kroz faze razvoja molekularne biologije

Kao posebna oblast biohemije, molekularna biologija se počela razvijati 30-ih godina prošlog stoljeća. Već tada je postalo neophodno razumjeti fenomen života na molekularnom nivou kako bi se proučavali procesi prijenosa i skladištenja genetskih informacija. Upravo u to vrijeme uspostavljen je zadatak molekularne biologije u proučavanju svojstava, strukture i interakcije proteina i nukleinskih kiselina.

Termin "molekularna biologija" prvi put je upotrijebljen u 1933 godine William Astbury tokom proučavanja fibrilarnih proteina (kolagen, krvni fibrin, kontraktilni mišićni proteini). Astbury je proučavao odnos između molekularne strukture i bioloških, fizičkih karakteristika ovih proteina. Na početku nastanka molekularne biologije, RNK se smatrala komponentom samo biljaka i gljiva, a DNK samo životinja. I unutra 1935 Otkriće DNK graška od strane Andreja Belozerskog dovelo je do utvrđivanja činjenice da se DNK nalazi u svakoj živoj ćeliji.

IN 1940 Kolosalno dostignuće bilo je uspostavljanje uzročne veze između gena i proteina od strane Georgea Beadlea i Edwarda Tathama. Hipoteza naučnika "Jedan gen - jedan enzim" formirala je osnovu za koncept da je specifična struktura proteina regulisana genima. Vjeruje se da je genetska informacija kodirana posebnim nizom nukleotida u DNK koji regulira primarnu strukturu proteina. Kasnije je dokazano da mnogi proteini imaju kvarternu strukturu. U formiranju takvih struktura učestvuju različiti peptidni lanci. Na osnovu toga, odredba o odnosu gena i enzima je donekle transformisana i sada zvuči kao "Jedan gen - jedan polipeptid".

IN 1944 Godine 1999. američki biolog Oswald Avery i njegove kolege (Colin McLeod i McLean McCarthy) dokazali su da je supstanca koja uzrokuje transformaciju bakterija DNK, a ne proteini. Eksperiment je poslužio kao dokaz uloge DNK u prijenosu nasljednih informacija, precrtavajući zastarjela znanja o proteinskoj prirodi gena.

Početkom 1950-ih, Frederick Sanger je pokazao da je proteinski lanac jedinstvena sekvenca aminokiselinskih ostataka. IN 1951 I 1952 godine, naučnik je odredio kompletnu sekvencu dva polipeptidna lanca - goveđeg insulina IN(30 aminokiselinskih ostataka) i A(21 aminokiselinski ostatak), respektivno.

Otprilike u isto vrijeme, u 1951–1953 Erwin Chargaff je formulisao pravila za omjer azotnih baza u DNK. Prema pravilu, bez obzira na vrste razlika živih organizama u njihovoj DNK, količina adenina (A) jednaka je količini timina (T), a količina guanina (G) jednaka je količini citozina. (C).

IN 1953 dokazali genetsku ulogu DNK. James Watson i Francis Crick, na osnovu rendgenskog zraka DNK koji su dobili Rosalind Franklin i Maurice Wilkins, ustanovili su prostornu strukturu DNK i iznijeli kasnije potvrđenu pretpostavku o mehanizmu njene replikacije (udvostručavanja), koja leži u osnovi nasljeđa.

1958 godine - formiranje centralne dogme molekularne biologije Francisa Cricka: prijenos genetskih informacija ide u smjeru DNK → RNK → protein.

Suština dogme je da u ćelijama postoji određeni usmjereni tok informacija iz DNK, koji je, pak, originalni genetski tekst, koji se sastoji od četiri slova: A, T, G i C. Zapisan je u DNK. dvostruka spirala u obliku nizova ovih slova - nukleotida.

Ovaj tekst se transkribuje. I proces se zove transkripcija. U tom procesu se sintetiše RNK, koja je identična genetskom tekstu, ali sa razlikom: u RNK se umesto T nalazi U (uracil).

Ova RNK se zove glasničku RNA (mRNA), ili matrica (mRNA). Broadcast mRNA se izvodi korištenjem genetskog koda u obliku tripletnih sekvenci nukleotida. Tokom ovog procesa, tekst DNK i RNK nukleinskih kiselina se prevodi iz teksta od četiri slova u tekst od dvadeset slova aminokiselina.

Prirodnih aminokiselina ima samo dvadeset, a u tekstu nukleinskih kiselina postoje četiri slova. Zbog toga postoji prijevod sa abecede od četiri slova na azbuku od dvadeset slova putem genetskog koda, u kojem svaka tri nukleotida odgovaraju aminokiselini. Dakle, možete napraviti čitave 64 kombinacije od tri slova od četiri slova, štaviše, aminokiselina ima 20. Iz ovoga proizilazi da genetski kod nužno mora imati svojstvo degeneracije. Međutim, u to vrijeme genetski kod nije bio poznat, osim toga, nije se ni počeo dešifrirati, ali je Krik već formulirao svoju središnju dogmu.

Ipak, postojala je sigurnost da kod mora postojati. Do tada je dokazano da ovaj kod ima trostruki karakter. To znači da konkretno tri slova u nukleinskim kiselinama ( kodoni) odgovaraju bilo kojoj aminokiselini. Postoje 64 ova kodona, oni kodiraju za 20 aminokiselina. To znači da svaka aminokiselina odgovara nekoliko kodona odjednom.

Dakle, možemo zaključiti da je centralna dogma postulat koji kaže da se u ćeliji odvija usmjeren tok informacija: DNK → RNK → protein. Krik je naglasio glavni sadržaj centralne dogme: ne može doći do obrnutog toka informacija, protein nije sposoban da promeni genetske informacije.

Ovo je glavno značenje centralne dogme: protein nije u stanju da promeni i transformiše informacije u DNK (ili RNK), tok uvek ide samo u jednom pravcu.

Neko vrijeme nakon toga otkriven je novi enzim, koji nije bio poznat u vrijeme formulacije centralne dogme, - reverzna transkriptaza koji sintetizira DNK iz RNK. Enzim je otkriven u virusima, kod kojih su genetske informacije kodirane u RNK, a ne u DNK. Takvi virusi se nazivaju retrovirusi. Imaju virusnu kapsulu u kojoj je zatvorena RNK i poseban enzim. Enzim je reverzna transkriptaza koja sintetiše DNK prema šablonu ove virusne RNK, a ta DNK tada služi kao genetski materijal za dalji razvoj virusa u ćeliji.

Naravno, ovo otkriće izazvalo je veliki šok i mnoge kontroverze među molekularnim biolozima, jer se vjerovalo da, na osnovu središnje dogme, to ne može biti. Međutim, Krik je odmah objasnio da nikada nije rekao da je to nemoguće. Rekao je samo da nikada ne može postojati protok informacija od proteina do nukleinskih kiselina, a već unutar nukleinskih kiselina su sasvim mogući bilo kakvi procesi: sinteza DNK na DNK, DNK na RNK, RNK na DNK i RNK na RNK.

Nakon formulacije središnje dogme, ostala su brojna pitanja: kako abeceda od četiri nukleotida koja čine DNK (ili RNK) kodira abecedu od 20 slova aminokiselina koje čine proteine? Šta je suština genetskog koda?

Prve ideje o postojanju genetskog koda formulirao je Alexander Downes ( 1952 d.) i Georgij Gamov ( 1954 G.). Naučnici su pokazali da sekvenca nukleotida mora uključivati najmanje tri veze. Kasnije je dokazano da se takva sekvenca sastoji od tri nukleotida, tzv kodon (trojka). Međutim, pitanje koji su nukleotidi odgovorni za ugradnju koje amino kiseline u proteinski molekul ostalo je otvoreno do 1961.

I unutra 1961 Marshall Nirenberg, zajedno sa Heinrich Matteijem, koristio je sistem za emitovanje in vitro. Kao šablon je korišten oligonukleotid. Sadržavao je samo ostatke uracila, a peptid sintetiziran iz njega uključivao je samo aminokiselinu fenilalanin. Tako je prvo ustanovljeno značenje kodona: kodon UUU kodira fenilalanin. Kasnije je Har Qur'an otkrio da nukleotidna sekvenca UCUCUCUCUCUC kodira skup aminokiselina serin-leucin-serin-leucin. Uglavnom, zahvaljujući djelima Nirenberga i Kurana, do 1965 godine, genetski kod je potpuno razotkriven. Ispostavilo se da svaki triplet kodira određenu aminokiselinu. A poredak kodona određuje redosled aminokiselina u proteinu.

Glavni principi funkcionisanja proteina i nukleinskih kiselina formulisani su početkom 70-ih godina. Utvrđeno je da se sinteza proteina i nukleinskih kiselina odvija prema matričnom mehanizmu. Molekul šablona nosi kodirane informacije o sekvenci aminokiselina ili nukleotida. Tokom replikacije ili transkripcije, šablon je DNK, a tokom translacije i reverzne transkripcije to je mRNA.

Time su stvoreni preduslovi za formiranje oblasti molekularne biologije, uključujući i genetski inženjering. A 1972. Paul Berg i kolege razvili su tehnologiju molekularnog kloniranja. Naučnici su dobili prvu rekombinantnu DNK in vitro. Ova izvanredna otkrića činila su osnovu novog smjera u molekularnoj biologiji, i 1972 godina se od tada smatra datumom rođenja genetskog inženjeringa.

3. Metode molekularne biologije

Ogroman napredak u proučavanju nukleinskih kiselina, strukture DNK i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velikog značaja u medicini, poljoprivredi i nauci uopšte.

Nakon proučavanja genetskog koda i osnovnih principa skladištenja, prijenosa i implementacije nasljednih informacija, posebne metode postale su neophodne za dalji razvoj molekularne biologije. Ove metode bi omogućile da se genima manipuliše, menja i izoluje.

Pojava takvih metoda dogodila se 1970-ih i 1980-ih godina. To je dalo ogroman poticaj razvoju molekularne biologije. Prije svega, ove metode su direktno vezane za proizvodnju gena i njihovo uvođenje u ćelije drugih organizama, kao i mogućnost određivanja nukleotidnog niza u genima.

3.1. DNK elektroforeza

DNK elektroforeza je osnovna metoda rada sa DNK. DNK elektroforeza se koristi zajedno sa gotovo svim drugim metodama za izolaciju željenih molekula i daljnju analizu rezultata. Sama metoda gel elektroforeze koristi se za razdvajanje fragmenata DNK po dužini.

Prije ili poslije elektroforeze, gel se tretira bojama koje se mogu vezati za DNK. Boje fluoresciraju u ultraljubičastom svjetlu, što rezultira uzorkom traka u gelu. Da bi se odredila dužina fragmenata DNK, oni se mogu uporediti sa markeri- setovi fragmenata standardne dužine, koji se nanose na isti gel.

Fluorescentni proteini

Prilikom proučavanja eukariotskih organizama, zgodno je koristiti fluorescentne proteine kao marker gene. Gen za prvi zeleni fluorescentni protein ( zeleni fluorescentni protein, GFP) izolovan od meduza Aqeuorea victoria a zatim uneti u razne organizme. Nakon toga su izolovani geni za fluorescentne proteine drugih boja: plave, žute, crvene. Da bi se dobili proteini sa svojstvima od interesa, takvi geni su umjetno modificirani.

Općenito, najvažniji alati za rad s molekulom DNK su enzimi koji provode brojne DNK transformacije u stanicama: DNK polimeraza, DNK ligaze I restriktaze (restrikcijske endonukleaze).

transgeneza

transgeneza To se naziva prijenosom gena iz jednog organizma u drugi. Takvi organizmi se nazivaju transgenic.

Rekombinantni proteinski preparati se upravo dobijaju prenosom gena u ćelije mikroorganizama. Većina ovih proteina jeste interferoni, insulin, neki proteinski hormoni, kao i proteini za proizvodnju niza vakcina.

U drugim slučajevima koriste se stanične kulture eukariota ili transgenih životinja, uglavnom stoke, koje luče potrebne proteine u mlijeko. Na taj način se dobijaju antitela, faktori zgrušavanja krvi i drugi proteini. Metodom transgeneze dobijaju se usjevi otporni na štetočine i herbicide, a otpadne vode se prečišćavaju uz pomoć transgenih mikroorganizama.

Pored svega navedenog, transgene tehnologije su nezaobilazne u naučnim istraživanjima, jer je razvoj biologije brži uz korišćenje metoda modifikacije i transfera gena.

Restrictases

Sekvence koje prepoznaju restrikcijski enzimi su simetrične, tako da se bilo koja vrsta prekida može dogoditi ili u sredini takve sekvence, ili sa pomakom u jednom ili oba lanca DNK molekula.

Prilikom cijepanja bilo koje DNK restrikcijskim enzimom, sekvence na krajevima fragmenata će biti iste. Moći će se ponovo povezati jer imaju komplementarne stranice.

Možete dobiti jednu molekulu spajanjem ovih sekvenci pomoću DNK ligaze. Zbog toga je moguće kombinirati fragmente dvije različite DNK i dobiti rekombinantnu DNK.

3.2. PCR

Metoda se zasniva na sposobnosti DNK polimeraza da kompletiraju drugi lanac DNK duž komplementarnog lanca na isti način kao u procesu replikacije DNK u ćeliji.

3.3. DNK sekvenciranje

Brzi razvoj metode sekvenciranja omogućava efikasno određivanje karakteristika organizma koji se proučava na nivou njegovog genoma. Glavna prednost takvih genomskih i postgenomskih tehnologija je povećanje mogućnosti istraživanja i proučavanja. genetske prirode bolesti ljudi, kako bi se prethodno uzeo neophodne mere i izbegavajte bolest.

Kroz istraživanja velikih razmjera moguće je doći do potrebnih podataka o različitim genetskim karakteristikama različitih grupa ljudi, čime se razvijaju metode medicine. Zbog toga je identifikacija genetske predispozicije za razne bolesti danas vrlo popularna.

Slične metode su široko primjenjive praktično u cijelom svijetu, uključujući i Rusiju. Zbog naučnog napretka, takve metode se uvode u medicinska istraživanja i medicinska praksa općenito.

4. Biotehnologija

Biotehnologija- disciplina koja proučava mogućnosti korištenja živih organizama ili njihovih sistema za rješavanje tehnoloških problema, kao i stvaranje živih organizama sa željenim svojstvima putem genetskog inženjeringa. Biotehnologija primjenjuje metode hemije, mikrobiologije, biohemije i, naravno, molekularne biologije.

Glavni pravci razvoja biotehnologije (principi biotehnoloških procesa se uvode u proizvodnju svih industrija):

Stvaranje i proizvodnja novih vrsta hrane i stočne hrane.
Dobijanje i proučavanje novih sojeva mikroorganizama.
Oplemenjivanje novih sorti biljaka, kao i stvaranje sredstava za zaštitu biljaka od bolesti i štetočina.
Primjena biotehnoloških metoda za potrebe ekologije. Ovakve metode biotehnologije koriste se za reciklažu otpada, čišćenje Otpadne vode, odvod zraka i sanitacija tla.
Proizvodnja vitamina, hormona, enzima, seruma za potrebe medicine. Biotehnolozi se poboljšavaju lijekovi ranije smatrano neizlečivim.

Glavno dostignuće u biotehnologiji je genetski inženjering.

Genetski inženjering- skup tehnologija i metoda za dobijanje rekombinantnih RNA i DNK molekula, izolovanje pojedinačnih gena iz ćelija, manipulisanje genima i njihovo uvođenje u druge organizme (bakterije, kvasac, sisare). Takvi organizmi mogu proizvesti finalne proizvode sa željenim, modificiranim svojstvima.

Metode genetskog inženjeringa usmjerene su na konstruiranje novih, ranije nepostojećih kombinacija gena u prirodi.

Govoreći o dostignućima genetskog inženjeringa, nemoguće je ne dotaknuti se teme kloniranja. Kloniranje je jedna od metoda biotehnologije koja se koristi za dobijanje identičnog potomstva različitih organizama aseksualnom reprodukcijom.

Drugim riječima, kloniranje se može smatrati procesom stvaranja genetski identičnih kopija organizma ili ćelije. A klonirani organizmi su slični ili potpuno identični ne samo po vanjskim karakteristikama, već i po genetskom sadržaju.

Zloglasna ovca Doli je 1966. godine postala prvi klonirani sisar. Dobiven je presađivanjem jezgra somatske ćelije u citoplazmu jajeta. Doli je bila genetska kopija ovce donora jezgra. U prirodnim uslovima, pojedinac se formira iz jednog oplođenog jajeta, koji je primio polovinu genetskog materijala od dva roditelja. Međutim, tokom kloniranja, genetski materijal je uzet iz ćelije jedne osobe. Prvo je iz zigote uklonjeno jezgro, koje sadrži samu DNK. Zatim su iz ćelije odrasle ovce uklonili jezgro i ugradili ga u tu zigotu bez jezgre, a zatim je presađeno u matericu odrasle osobe i ostavljeno da raste i razvija se.

Međutim, nisu svi pokušaji kloniranja bili uspješni. Paralelno s Dolinim kloniranjem, izveden je eksperiment zamjene DNK na 273 druga jajašca. Ali samo u jednom slučaju živa odrasla životinja mogla bi se u potpunosti razviti i rasti. Nakon Doli, naučnici su pokušali da kloniraju druge vrste sisara.

Jedna od vrsta genetskog inženjeringa je uređivanje genoma.

Alat CRISPR/Cas baziran je na elementu imunološkog odbrambenog sistema bakterija, koji su naučnici prilagodili da uvedu bilo kakve promjene u DNK životinja ili biljaka.

CRISPR/Cas je jedna od biotehnoloških metoda za manipulaciju pojedinačnim genima u ćelijama. Postoji mnogo aplikacija za ovu tehnologiju. CRISPR/Cas omogućava istraživačima da otkriju funkciju različitih gena. Da biste to učinili, samo trebate izrezati gen koji se proučava iz DNK i proučiti koje su funkcije tijela pogođene.

Neke praktične primjene sistema:

Poljoprivreda. Kroz CRISPR/Cas sisteme, usevi se mogu poboljšati. Naime, da budu ukusnije i hranljivije, kao i otporne na toplotu. Biljke je moguće obdariti drugim svojstvima: na primjer, izrezati alergenski gen iz orašastih plodova (kikiriki ili lješnjaci).
Medicina, nasledne bolesti. Naučnici imaju za cilj da koriste CRISPR/Cas za uklanjanje mutacija iz ljudskog genoma koje mogu uzrokovati bolesti, kao što je anemija srpastih ćelija, itd. Teoretski, CRISPR/Cas može zaustaviti razvoj HIV-a.
Gene drive. CRISPR/Cas može promijeniti ne samo genom pojedine životinje ili biljke, već i genski fond vrste. Ovaj koncept je poznat kao "genski pogon". Svaki živi organizam prenosi polovinu svojih gena na svoje potomstvo. Ali korištenje CRISPR/Cas može povećati šansu za prijenos gena do 100%. Ovo je važno kako bi se željena osobina brže širila u populaciji.

Švicarski naučnici su značajno unaprijedili i modernizirali CRISPR/Cas metod uređivanja genoma, čime su proširili njegove mogućnosti. Međutim, naučnici su mogli da modifikuju samo jedan po jedan gen koristeći CRISPR/Cas sistem. Ali sada su istraživači sa ETH Zuricha razvili metodu koja može istovremeno modificirati 25 gena u ćeliji.

Za najnoviju tehniku stručnjaci su koristili enzim Cas12a. Genetičari su po prvi put u istoriji uspješno klonirali majmune. "Popularna mehanika";

Nikolenko S. (2012). Genomika: Izjava o problemu i metode sekvenciranja. "post-nauka".

Molekularna biologija je doživjela period brzog razvoja vlastitih istraživačkih metoda, koji se sada razlikuju od biohemije. To uključuje, posebno, metode genetskog inženjeringa, kloniranje, umjetnu ekspresiju i nokautiranje gena. Budući da je DNK materijalni nosilac genetskih informacija, molekularna biologija je postala mnogo bliža genetici, a na spoju je nastala molekularna genetika, koja je i dio genetike i molekularne biologije. Baš kao što molekularna biologija u velikoj mjeri koristi viruse kao istraživačko sredstvo, virologija koristi metode molekularne biologije da riješi svoje probleme. Kompjuterska tehnologija je uključena u analizu genetskih informacija, u vezi s čime su se pojavile nove oblasti molekularne genetike, koje se ponekad smatraju posebnim disciplinama: bioinformatikom, genomikom i proteomikom.

Istorija razvoja

Ovo temeljno otkriće pripremljeno je dugom fazom istraživanja genetike i biokemije virusa i bakterija.

Godine 1928. Frederick Griffith je prvi put pokazao da ekstrakt patogenih bakterija ubijenih toplinom može prenijeti osobinu patogenosti na benigne bakterije. Proučavanje bakterijske transformacije dalje je dovelo do pročišćavanja uzročnika bolesti, za koji se, suprotno očekivanjima, pokazalo da nije protein, već nukleinska kiselina. Sama nukleinska kiselina nije opasna, ona samo nosi gene koji određuju patogenost i druga svojstva mikroorganizma.

Pedesetih godina XX veka pokazalo se da bakterije imaju primitivni seksualni proces, da su u stanju da razmenjuju ekstrahromozomsku DNK, plazmide. Otkriće plazmida, kao i transformacije, činili su osnovu plazmidne tehnologije uobičajene u molekularnoj biologiji. Drugo značajno otkriće za metodologiju bilo je otkriće početkom 20. stoljeća bakterijskih virusa, bakteriofaga. Fagi također mogu prenijeti genetski materijal iz jedne bakterijske ćelije u drugu. Infekcija bakterija fagima dovodi do promjene u sastavu bakterijske RNK. Ako je, bez faga, sastav RNK sličan sastavu bakterijske DNK, tada nakon infekcije RNK postaje sličnija DNK bakteriofaga. Tako je utvrđeno da je struktura RNK određena strukturom DNK. Zauzvrat, brzina sinteze proteina u stanicama ovisi o količini RNA-protein kompleksa. Ovako je to formulisano centralna dogma molekularne biologije: DNK ↔ RNA → protein.

Dalji razvoj molekularne biologije pratio je kako razvoj njene metodologije, posebno pronalazak metode za određivanje nukleotidne sekvence DNK (W. Gilbert i F. Sanger, Nobelova nagrada za hemiju 1980.), tako i nove otkrića u oblasti istraživanja strukture i funkcionisanja gena (vidi Istorija genetike). Do početka 21. vijeka dobijeni su podaci o primarnoj strukturi cjelokupne ljudske DNK i niza drugih organizama, najvažnijih za medicinu, Poljoprivreda i naučnih istraživanja, što je dovelo do pojave nekoliko novih oblasti u biologiji: genomike, bioinformatike itd.

vidi takođe

Molekularna biologija (časopis)
Transkriptomika
Molekularna paleontologija
EMBO - Evropska organizacija za molekularnu biologiju

Književnost

Pevač M., Berg P. Geni i genomi. - Moskva, 1998.
Stent G., Kalindar R. Molekularna genetika. - Moskva, 1981.
Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. - 1989.
Patrushev L.I. Ekspresija gena. - M.: Nauka, 2000. - 000 str., ilustr. ISBN 5-02-001890-2

Linkovi

Wikimedia Foundation. 2010 .

Ardatovski okrug regije Nižnji Novgorod
Arzamas okrug Nižnji Novgorodske oblasti

Pogledajte šta je "molekularna biologija" u drugim rječnicima:

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- uči osnove. svojstva i manifestacije života na molekularnom nivou. Najvažniji pravci u M. b. su studije strukturne i funkcionalne organizacije genetskog aparata ćelija i mehanizma za implementaciju naslednih informacija ... ... Biološki enciklopedijski rječnik

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnom nivou. Saznaje kako i u kojoj mjeri rast i razvoj organizama, pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija, pretvaranje energije u živim stanicama i druge pojave nastaju zbog... Veliki enciklopedijski rječnik

MOLEKULARNA BIOLOGIJA Moderna enciklopedija

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- MOLEKULARNA BIOLOGIJA, biološko proučavanje strukture i funkcije MOLEKULA koji čine žive organizme. Glavna područja studija su fizička i Hemijska svojstva proteini i NUKLEINSKE KISELINE kao što je DNK. pogledajte i…… Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik

molekularna biologija- dio biol., koji istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnom nivou. Saznaje kako i u kojoj mjeri dolazi do rasta i razvoja organizama, skladištenja i prijenosa nasljednih informacija, konverzije energije u živim stanicama i ... ... Mikrobiološki rječnik

molekularna biologija- — Teme biotehnologije EN molekularna biologija… Priručnik tehničkog prevodioca

Molekularna biologija- MOLEKULARNA BIOLOGIJA, istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnom nivou. Saznaje kako i u kojoj mjeri dolazi do rasta i razvoja organizama, skladištenja i prijenosa nasljednih informacija, konverzije energije u živim stanicama i ... ... Ilustrovani enciklopedijski rječnik

Molekularna biologija- nauka koja za svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sistema na nivou koji se približava molekularnom nivou, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Krajnji cilj ovoga je…… Velika sovjetska enciklopedija

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- proučava fenomene života na nivou makromolekula (pog. proteina i nukleinskih kiselina) u besćelijskim strukturama (ribozomi itd.), u virusima, a takođe iu ćelijama. M. svrha. utvrđivanje uloge i mehanizma funkcionisanja ovih makromolekula na osnovu ... ... Chemical Encyclopedia

molekularna biologija- istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnom nivou. Saznaje kako i u kojoj mjeri dolazi do rasta i razvoja organizama, skladištenja i prijenosa nasljednih informacija, pretvaranja energije u živim stanicama i drugih pojava.... enciklopedijski rječnik

Knjige

Molekularna biologija ćelije. Problem Book, J. Wilson, T. Hunt. Knjiga američkih autora je dodatak 2. izdanju udžbenika `Molekularna biologija ćelije` autora B. Albertsa, D. Braya, J. Lewisa i dr. Sadrži pitanja i zadatke, čija je svrha produbljivanje . ..

molekularna biologija, nauka koja za svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih fenomena proučavanjem bioloških objekata i sistema na nivou koji se približava molekularnom nivou, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Krajnji cilj u ovom slučaju je razjasniti kako i u kojoj mjeri se javljaju karakteristične manifestacije života, kao što su nasljedstvo, reprodukcija vlastite vrste, biosinteza proteina, ekscitabilnost, rast i razvoj, skladištenje i prijenos informacija, transformacije energije, mobilnost, itd., nastaju zbog strukture, svojstava i interakcije molekula biološki važnih supstanci, prvenstveno dvije glavne klase visokomolekularnih biopolimera - proteina i nukleinskih kiselina. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim predmetima ili onima koje karakteriziraju najprimitivnije manifestacije života. To su biološke formacije sa ćelijskog nivoa i ispod: subćelijske organele, kao što su izolirana ćelijska jezgra, mitohondrije, ribozomi, hromozomi, ćelijske membrane; dalje - sistemi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, i završavajući sa molekulima kritične komponenteživa materija - nukleinske kiseline i proteini.

Osnove na kojima se M. razvio postavile su nauke kao što su genetika, biohemija, fiziologija elementarnih procesa, itd. Prema poreklu svog razvoja, M. b. je neraskidivo povezan s molekularnom genetikom, koja je i dalje važan dio

Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Suština M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u smislu molekularne strukture. M. b. sebi stavlja zadatak da dobije odgovore na pitanje "kako", znajući suštinu uloge i učešća cjelokupne strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", saznavši, s jedne strane , odnos između svojstava molekula (opet, prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i funkcija koje obavlja, a s druge strane, uloge takvih pojedinačnih funkcija u ukupnom kompleksu manifestacija vitalne aktivnosti.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Evo daleko od potpune liste ovih dostignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNK, svih vrsta RNK i ribozoma, otkrivanje genetskog koda; otkriće reverzne transkripcije, tj. sinteze DNK na RNK šablonu; proučavanje mehanizama funkcionisanja respiratornih pigmenata; otkrivanje trodimenzionalne strukture i njene funkcionalne uloge u djelovanju enzima, principa matriksne sinteze i mehanizama biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa i mehanizama njihove replikacije, primarne i, dijelom, prostorne strukture antitijela; izolacija pojedinačnih gena, hemijska, a zatim i biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući humanu, izvan ćelije (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i ljudske ćelije; brzo napreduje dešifrovanje hemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkrivanje fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve složenije, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa do višekomponentnih enzima, virusa, ribozoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih osnovnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Problemi molekularne biologije. Uz navedene važne zadatke M. bi. (poznavanje zakona „prepoznavanja“, samosastavljanja i integracije) aktuelni pravac naučne potrage za blisku budućnost je razvoj metoda koje omogućavaju dešifrovanje strukture, a potom i trodimenzionalne, prostorne organizacije visokomolekularnih nukleinske kiseline. Sve najvažnije metode, čija je upotreba osigurala nastanak i uspjeh M. b., predložili su i razvili fizičari (ultracentrifugiranje, analiza rendgenske difrakcije, elektronska mikroskopija, nuklearna magnetna rezonanca itd.). Gotovo svi novi fizički eksperimentalni pristupi (na primjer, upotreba kompjutera, sinhrotrona ili kočnog zraka, zračenja, laserske tehnologije i drugi) otvaraju nove mogućnosti za dubinsko proučavanje problema M. b. Među najvažnijim zadacima praktične prirode, na koje se odgovor očekuje od M. b., na prvom mjestu je problem molekularne osnove malignog rasta, zatim – načini prevencije, a možda i prevladavanja nasljednih bolesti – “ molekularne bolesti". Od velikog značaja biće rasvetljavanje molekularne osnove biološke katalize, odnosno delovanja enzima. Među najvažnijim savremeni trendovi M. b. treba uključiti želju da se dešifriraju molekularni mehanizmi djelovanja hormona, toksičnih i ljekovitih supstanci, kao i da se saznaju detalji molekularne strukture i funkcioniranja takvih staničnih struktura kao što su biološke membrane uključene u regulaciju procesa penetracije i transport supstanci. Dalji golovi M. b. - poznavanje prirode nervnih procesa, mehanizama pamćenja, itd. Jedan od važnih novonastalih dijelova M. b. - takozvani. genetskog inženjeringa, koji za svoj zadatak postavlja svrsishodan rad genetskog aparata (genoma) živih organizama, počevši od mikroba i nižih (jednoćelijskih) pa do ljudi (u ovom drugom slučaju, prvenstveno u svrhu radikalnog tretmana nasljedne bolesti i korekcija genetskih defekata).

Najvažniji pravci MB:

- Molekularna genetika - proučavanje strukturne i funkcionalne organizacije genetskog aparata ćelije i mehanizma za implementaciju naslednih informacija

– Molekularna virologija – proučavanje molekularnih mehanizama interakcije virusa sa ćelijama

– Molekularna imunologija – proučavanje obrazaca imunoloških reakcija organizma

– Molekularna biologija razvoja – proučava pojavu ćelijske raznolikosti u toku individualnog razvoja organizama i specijalizacije ćelija

Glavni objekti istraživanja: Virusi (uključujući bakteriofage), Ćelije i subćelijske strukture, Makromolekule, Višećelijski organizmi.