Biokeemia ja molekulaarbioloogia – kus õppida? Molekulaarbioloogia Molekulaarbioloogid teadus- ja haridusvaldkonnas

Molekulaarbioloogia

teadus, mis seab oma ülesandeks elunähtuste olemuse tundmise, uurides bioloogilisi objekte ja süsteeme molekulaarsele tasemele läheneval, mõnel juhul ka selle piirini jõudval tasemel. Lõppeesmärk on sel juhul selgitada, kuidas ja mil määral ilmnevad elule iseloomulikud ilmingud, nagu pärilikkus, omasuguste sigimine, valkude biosüntees, erutuvus, kasv ja areng, teabe salvestamine ja edastamine, energia muundumine, liikuvus, jne, on tingitud bioloogiliselt oluliste ainete molekulide struktuurist, omadustest ja vastastikmõjust, peamiselt kahest põhiklassist kõrge molekulmassiga biopolümeerid (vt Biopolümeerid) - valgud ja nukleiinhapped. Eripäraks M. b. - elutute objektide või elutute objektide elunähtuste uurimine või need, mida iseloomustavad elu kõige primitiivsemad ilmingud. Need on bioloogilised moodustised rakutasandilt ja allapoole: subtsellulaarsed organellid, näiteks isoleeritud rakutuumad, mitokondrid, ribosoomid, kromosoomid, rakumembraanid; edasi - süsteemid, mis seisavad elava ja elutu looduse piiril - viirused, sealhulgas bakteriofaagid ja lõpetades molekulidega kriitilised komponendid elusaine – nukleiinhapped (vt Nukleiinhapped) ja valgud (vt Valgud).

M. b. - uus loodusteaduste valdkond, mis on tihedalt seotud kauaaegsete uurimisvaldkondadega, mida hõlmavad biokeemia (vt Biokeemia), biofüüsika (vt Biofüüsika) ja bioorgaaniline keemia (vt Bioorgaaniline keemia). Eristamine on siin võimalik ainult kasutatavate meetodite ja kasutatavate lähenemisviiside põhiolemuse arvessevõtmise põhjal.

Vundamendi, millele M. arenes, panid sellised teadused nagu geneetika, biokeemia, elementaarprotsesside füsioloogia jne. Vastavalt oma arengu algallikatele on M. b. lahutamatult seotud molekulaargeneetikaga (vt molekulaargeneetika) , mis moodustab jätkuvalt olulise osa M. pangandusest, kuigi on juba suurel määral kujunenud iseseisvaks distsipliiniks. M. isolatsioon. biokeemiast lähtuvad järgmised kaalutlused. Biokeemia ülesanded piirduvad peamiselt teatud keemiliste ainete osalemise kindlakstegemisega teatud bioloogilistes funktsioonides ja protsessides ning nende muundumiste olemuse väljaselgitamisega; juhtiv roll on teabel reaktsioonivõime ja keemilise struktuuri põhijoonte kohta, mida väljendab tavaline keemiline valem. Seega keskendutakse sisuliselt põhivalenti mõjutavatele transformatsioonidele keemilised sidemed. Vahepeal, nagu rõhutas L. Pauling , bioloogilistes süsteemides ja elutegevuse ilmingutes ei tohiks põhitähelepanu pöörata mitte sama molekuli sees tegutsevatele põhivalentsetele sidemetele, vaid erinevat tüüpi sidemetele, mis määravad molekulidevahelisi interaktsioone (elektrostaatilised, van der Waalsi sidemed, vesiniksidemed jne). .

Biokeemilise uuringu lõpptulemust saab esitada keemiliste võrrandite süsteemi kujul, mis on tavaliselt täielikult ammendatud nende esitamisega tasapinnal, see tähendab kahes mõõtmes. Eripäraks M. b. on selle kolmemõõtmelisus. M. b. olemus. M. Perutz näeb seda bioloogiliste funktsioonide tõlgendamisel molekulaarstruktuuri kaudu. Võib öelda, et kui varem oli bioloogiliste objektide uurimisel vaja vastata küsimusele "mis", see tähendab, millised ained on olemas, ja küsimusele "kus" - millistes kudedes ja elundites, siis M. b. tema ülesandeks on saada vastused küsimusele "kuidas", olles õppinud molekuli kogu struktuuri rolli ja osaluse olemust, ning küsimustele "miks" ja "milleks", olles teada saanud, ühelt poolt seosed molekuli omaduste (taas eeskätt valgud ja nukleiinhapped) ja selle poolt täidetavate funktsioonide vahel ning teisalt selliste üksikute funktsioonide roll elutegevuse ilmingute üldises kompleksis.

Määrava rolli saavad aatomite ja nende rühmituste vastastikune paigutus makromolekuli üldstruktuuris, nende ruumilised suhted. See kehtib nii üksikute, üksikute komponentide kui ka molekuli kui terviku üldise konfiguratsiooni kohta. Rangelt kindlaksmääratud mahulise struktuuri tekkimise tulemusena omandavad biopolümeeri molekulid need omadused, mille tõttu nad on võimelised toimima bioloogiliste funktsioonide materiaalse alusena. See elavate uurimise lähenemise põhimõte on M. b. kõige iseloomulikum, tüüpilisem tunnus.

Ajalooline viide. Bioloogiliste probleemide molekulaarsel tasemel uurimise suurt tähtsust nägi ette I. P. Pavlov , kes rääkis eluteaduse viimasest sammust – elava molekuli füsioloogiast. Juba termin "M. b." esmakordselt kasutati inglise keeles. teadlased W. Astbury rakendades uurimistööd, mis on seotud molekulaarstruktuuri ja füüsikaliste ning bioloogilised omadused fibrillaarsed (kiudsed) valgud, nagu kollageen, vere fibriin või kontraktiilsed lihasvalgud. Kasutatakse laialdaselt mõistet "M. b." terasest alates 1950. aastate algusest. 20. sajandil

M. tekkimine. küpse teadusena on kombeks viidata 1953. aastale, mil J. Watson ja F. Crick Cambridge'is (Suurbritannia) avastasid desoksüribonukleiinhappe (DNA) kolmemõõtmelise struktuuri. See võimaldas rääkida sellest, kuidas selle struktuuri üksikasjad määravad DNA kui päriliku teabe materiaalse kandja bioloogilised funktsioonid. Põhimõtteliselt sai see DNA roll tuntuks mõnevõrra varem (1944) Ameerika geneetiku O. T. Avery ja kaastöötajate töö tulemusena (vt molekulaargeneetika), kuid polnud teada, mil määral antud funktsioon sõltub DNA molekulaarstruktuurist. See sai võimalikuks alles pärast seda, kui W. L. Braggi, J. Bernali jt laborid töötasid välja uued röntgendifraktsioonianalüüsi põhimõtted, mis tagasid selle meetodi kasutamise valgu makromolekulide ja nukleiinhapete ruumilise struktuuri üksikasjalikuks tundmiseks.

Molekulaarse organiseerituse tasemed. 1957. aastal kehtestas J. Kendrew Myoglobin a kolmemõõtmelise struktuuri , ja järgnevatel aastatel tegi seda M. Perutz seoses hemoglobiini a. Sõnastati ideid makromolekulide ruumilise organiseerimise erinevate tasemete kohta. Primaarstruktuur on üksikute ühikute (monomeeride) järjestus tekkiva polümeeri molekuli ahelas. Valkude puhul on monomeerideks aminohapped. , nukleiinhapete jaoks - Nukleotiidid. Biopolümeeri lineaarne filamentne molekul omab vesiniksidemete esinemise tulemusena võimet teatud viisil ruumi mahtuda, näiteks valkude puhul, nagu on näidanud L. Pauling, võib see võtta aega. spiraali kuju. Seda nimetatakse sekundaarseks struktuuriks. Tertsiaarseks struktuuriks nimetatakse seda, kui sekundaarse struktuuriga molekul ühel või teisel viisil voltib edasi, täites kolmemõõtmelise ruumi. Lõpuks võivad molekulid, millel on kolmemõõtmeline struktuur, astuda interaktsiooni, paiknedes korrapäraselt ruumis üksteise suhtes ja moodustades kvaternaarse struktuuri; selle üksikuid komponente nimetatakse tavaliselt allüksusteks.

Enamik hea näide See, kuidas molekulaarne kolmemõõtmeline struktuur määrab molekuli bioloogilised funktsioonid, on DNA. Sellel on kaksikheeliksi struktuur: kaks vastastikku vastassuunas (antiparalleelselt) kulgevat niiti on keeratud üksteise ümber, moodustades topeltspiraali, millel on üksteist täiendavad aluste paigutused, st nii, et vastu ühe ahela teatud alust on on alati selline sihtasutus, mis parim viis tagab vesiniksidemete moodustumise: adepiin (A) moodustab paari tümiiniga (T), guaniin (G) - tsütosiiniga (C). See struktuur loob optimaalsed tingimused DNA kõige olulisemate bioloogiliste funktsioonide jaoks: päriliku teabe kvantitatiivne paljundamine rakkude jagunemise protsessis, säilitades samal ajal selle geneetilise teabe voo kvalitatiivse muutumatuse. Kui rakk jaguneb, kerivad lahti DNA kaksikheeliksi ahelad, mis toimivad matriitsina ehk matriitsina ja igaühel neist sünteesitakse ensüümide toimel komplementaarne uus ahel. Selle tulemusena saadakse ühest DNA algmolekulist kaks täiesti identset tütarmolekuli (vt Cell, Mitosis).

Samamoodi selgus hemoglobiini puhul, et selle bioloogiline funktsioon – võime hapnikku pöörduvalt siduda kopsudes ja seejärel kudedesse anda – on tihedalt seotud hemoglobiini kolmemõõtmelise struktuuri iseärasustega ja selle muutustega. selle füsioloogilise rolli rakendamise protsess. O 2 sidumisel ja dissotsieerumisel tekivad hemoglobiini molekuli konformatsioonis ruumilised muutused, mis põhjustavad selles sisalduvate rauaaatomite afiinsuse muutumist hapniku suhtes. Hemoglobiini molekuli suuruse muutused, mis meenutavad mahu muutusi rind hingates lubatakse hemoglobiini nimetada "molekulaarseteks kopsudeks".

Elusobjektide üks olulisemaid omadusi on nende võime peenreguleerida kõiki elutegevuse ilminguid. M. suur panus. teaduslikke avastusi tuleks pidada uue, varem tundmatu reguleerimismehhanismi avastamiseks, mida nimetatakse allosteeriliseks efektiks. See seisneb madala molekulmassiga ainete - nn. ligandid – makromolekulide, eelkõige katalüütiliselt toimivate valkude spetsiifiliste bioloogiliste funktsioonide muutmiseks – ensüümid, hemoglobiin, retseptorvalgud, mis osalevad bioloogiliste membraanide ehituses (vt Bioloogilised membraanid), sünaptilises ülekandes (vt Sünapsid) jne.

Kolm biootilist voolu. M. ideede valguses. elunähtuste kogumit võib pidada kolme voolu koosmõju tulemuseks: ainevool, mis leiab väljenduse ainevahetuse, s.o assimilatsiooni ja dissimilatsiooni nähtustes; energiavoogu, mis on kõigi eluilmingute liikumapanev jõud; ja teabevoogu, mis ei tungi mitte ainult iga organismi arengu- ja eksisteerimisprotsesside kogu mitmekesisusse, vaid ka järjestikuste põlvkondade pideva jada. Just biomaterjalide arendamise teel elava maailma doktriini juurutatud infovoo idee jätab sellele oma spetsiifilise, kordumatu jälje.

Molekulaarbioloogia olulisemad saavutused. M. mõju kiirus, ulatus ja sügavus. edusamme eluslooduse uurimise põhiprobleemide mõistmisel võrreldakse õigustatult näiteks kvantteooria mõjuga aatomifüüsika arengule. Selle revolutsioonilise mõju määrasid kaks olemuslikult seotud tingimust. Ühelt poolt mängis otsustavat rolli võimaluse avastamine elulise aktiivsuse kõige olulisemate ilmingute uurimiseks kõige lihtsamates tingimustes, lähenedes keemiliste ja füüsikaliste katsete tüübile. Teisest küljest kaasati selle asjaolu tõttu bioloogiliste probleemide väljatöötamisse kiiresti märkimisväärne hulk täppisteaduste esindajaid - füüsikud, keemikud, kristallograafid ja seejärel matemaatikud. Kokkuvõttes määrasid need asjaolud M. b. ebatavaliselt kiire arengutempo, tema õnnestumiste arvu ja olulisuse, mis saavutati vaid kahe aastakümnega. Siin on nende saavutuste kaugeltki täielik loetelu: DNA, igat tüüpi RNA ja ribosoomide struktuuri ja bioloogilise funktsiooni mehhanismi avalikustamine (vt Ribosoomid) , geneetilise koodi avalikustamine (vt geneetiline kood) ; pöördtranskriptsiooni avastamine (vt transkriptsiooni) , st DNA süntees RNA matriitsil; hingamisteede pigmentide toimimismehhanismide uurimine; kolmemõõtmelise struktuuri avastamine ja selle funktsionaalne roll ensüümide tegevuses (vt ensüümid) , maatrikssünteesi põhimõte ja valkude biosünteesi mehhanismid; viiruste struktuuri (vt Viirused) ja nende replikatsioonimehhanismide, antikehade esmase ja osaliselt ruumilise struktuuri avalikustamine; üksikute geenide isoleerimine , keemiline ja seejärel bioloogiline (ensümaatiline) geenide süntees, sealhulgas inimesel, väljaspool rakku (in vitro); geenide ülekandmine ühest organismist teise, sealhulgas inimese rakkudesse; üha suurema hulga üksikute valkude, peamiselt ensüümide, aga ka nukleiinhapete keemilise struktuuri kiiresti edenev dešifreerimine; mõnede järjest keerukama keerukusega bioloogiliste objektide "isekoosnemise" nähtuste avastamine, alustades nukleiinhappemolekulidest ja liikudes edasi mitmekomponentsete ensüümide, viiruste, ribosoomide jne juurde; allosteeriliste ja muude bioloogiliste funktsioonide ja protsesside reguleerimise aluspõhimõtete selgitamine.

Reduktsionism ja integratsioon. M. b. on selle suuna viimane etapp elusobjektide uurimisel, mida nimetatakse "reduktsionismiks", st sooviks taandada keerulised elufunktsioonid nähtusteks, mis toimuvad molekulaarsel tasemel ja on seetõttu kättesaadavad füüsika ja keemia meetoditega uurimiseks. . Saavutas M. b. õnnestumised annavad tunnistust selle lähenemisviisi tõhususest. Samas tuleb arvestada, et looduslikes tingimustes nii rakus, koes, elundis kui ka kogu organismis on tegemist järjest keerulisemaks muutuvate süsteemidega. Sellised süsteemid moodustuvad madalama taseme komponentidest nende regulaarse integreerimise kaudu tervikuks, omandades struktuurse ja funktsionaalse korralduse ning omandades uusi omadusi. Seetõttu, kuna teadmised avalikustamiseks kättesaadavate mustrite kohta molekulaarsel ja külgneval tasemel on üksikasjalikud, on enne M. b. kerkib ülesanne mõista lõimumismehhanisme kui elunähtuste uurimise edasist arengusuunda. Siin on lähtepunktiks molekulidevaheliste interaktsioonide jõudude uurimine – vesiniksidemed, van der Waals, elektrostaatilised jõud jne. Oma kombinatsiooni ja ruumilise paigutuse tõttu moodustavad nad selle, mida võib nimetada "integreerivaks teabeks". Seda tuleks käsitleda juba mainitud infovoo ühe peamise osana. M. piirkonnas. Integratsiooni näideteks võivad olla nende koostisosade segust komplekssete moodustiste isekoosnemise nähtused. See hõlmab näiteks mitmekomponentsete valkude moodustumist nende subühikutest, viiruste moodustumist nende koostisosadest – valkudest ja nukleiinhapetest, ribosoomide algse struktuuri taastamist pärast nende valkude ja nukleiinkomponentide eraldamist jne. Nende nähtuste uurimine on otseselt seotud teadmistega biopolümeeride molekulide "äratundmise" peamiste nähtuste kohta. Eesmärk on välja selgitada, millised aminohapete kombinatsioonid - valgu molekulides või nukleotiidides - nukleiinhapetes interakteeruvad üksikute molekulide assotsieerumisprotsesside käigus, moodustades rangelt spetsiifilise, etteantud koostise ja struktuuriga komplekse. Nende hulka kuuluvad nende alaühikutest kompleksvalkude moodustumise protsessid; lisaks selektiivne interaktsioon nukleiinhappemolekulide, näiteks transpordi ja maatriksi vahel (sel juhul on geneetilise koodi avastamine meie teavet oluliselt laiendanud); lõpuks on see mitut tüüpi struktuuride moodustumine (näiteks ribosoomid, viirused, kromosoomid), milles osalevad nii valgud kui ka nukleiinhapped. Asjakohaste mustrite avalikustamine, nende interaktsioonide aluseks oleva "keele" tundmine on üks kriitilised alad M. b., ootab endiselt oma väljatöötamist. Seda piirkonda peetakse terve biosfääri põhiprobleemide hulka kuuluvaks.

Molekulaarbioloogia probleemid. Koos täpsustatud oluliste ülesannetega oleks M.. ("äratundmise", iseseadumise ja integratsiooni seaduste tundmine) teaduslike otsingute tegelik suund lähitulevikuks on struktuuri dešifreerimist võimaldavate meetodite väljatöötamine ja seejärel kõrgmolekulaarsete kolmemõõtmeline, ruumiline organiseerimine. nukleiinhapped. See on nüüd saavutatud seoses DNA kolmemõõtmelise struktuuri üldplaaniga (topeltheeliksiga), kuid ilma täpsete teadmisteta selle esmasest struktuurist. Analüütiliste meetodite arendamise kiire areng võimaldab meil järgmistel aastatel julgelt oodata nende eesmärkide saavutamist. Siin on muidugi põhiline panus lähiteaduste, eelkõige füüsika ja keemia esindajatelt. Kõik olulisemad meetodid, mille kasutamine tagas M. b. tekke ja edu, pakkusid välja ja töötasid välja füüsikud (ultratsentrifuugimine, röntgendifraktsioonanalüüs, elektronmikroskoopia, tuumamagnetresonants jne). Peaaegu kõik uued füüsikalised eksperimentaalsed lähenemised (näiteks arvutite, sünkrotroni või bremsstrahlungi, kiirguse, lasertehnoloogia jm kasutamine) avavad uusi võimalusi M. b. probleemide süvauurimiseks. Kõige olulisemate praktilise iseloomuga ülesannete hulgas, millele M. b.-lt vastust oodatakse, on esiteks pahaloomulise kasvu molekulaarse aluse probleem, seejärel - pärilike haiguste ennetamise ja võib-olla nende ületamise viisid - " molekulaarhaigused" (vt Molekulaarhaigused ). Suur tähtsus on bioloogilise katalüüsi molekulaarse aluse ehk ensüümide toime selgitamisel. Kõige olulisemate hulgas kaasaegsed trendid M. b. peaks sisaldama soovi dešifreerida hormoonide molekulaarseid toimemehhanisme (vt. Hormoonid) , toksiliste ja raviainetega, samuti selgitada välja selliste rakustruktuuride nagu bioloogilised membraanid molekulaarstruktuuri ja funktsioneerimise üksikasjad, mis osalevad ainete läbitungimise ja transpordi protsesside reguleerimises. Kaugemad väravad M. b. - teadmised närviprotsesside olemusest, mälumehhanismidest (vt Mälu) jm. Üks olulisi esilekerkivaid sektsioone M. b. - nn. geenitehnoloogia, mis seab oma ülesandeks elusorganismide geneetilise aparaadi (Genoomi) sihipärase toimimise, alustades mikroobidest ja madalamatest (üherakulistest) ning lõpetades inimestega (viimasel juhul eelkõige elusorganismide radikaalse ravi eesmärgil). pärilikud haigused (vt. Pärilikud haigused) ja geneetiliste defektide korrigeerimine ). Ulatuslikumatest sekkumistest inimese geneetilisse baasi saab rääkida alles enam-vähem kauges tulevikus, sest sel juhul tekivad nii tehnilised kui ka põhimõttelised tõsised takistused. Mis puudutab mikroobe, taimi ja see on võimalik, ja leht - x. Loomade jaoks on sellised väljavaated väga julgustavad (näiteks selliste kultuurtaimede sortide hankimine, millel on aparaat õhust lämmastiku sidumiseks ja mis ei vaja väetisi). Need põhinevad juba saavutatud õnnestumistel: geenide isoleerimine ja süntees, geenide ülekandmine ühest organismist teise, massirakukultuuride kasutamine majanduslikult või meditsiiniliselt oluliste ainete tootjatena.

Molekulaarbioloogia uuringute korraldamine. M. kiire areng. tõi kaasa suure hulga spetsialiseeritud uurimiskeskuste tekkimise. Nende arv kasvab kiiresti. Suurim: Ühendkuningriigis - Cambridge'i molekulaarbioloogia labor, Londoni kuninglik instituut; Prantsusmaal - molekulaarbioloogia instituudid Pariisis, Marseille's, Strasbourgis, Pasteuri instituut; USA-s - osakonnad M. b. ülikoolides ja instituutides Bostonis (Harvardi Ülikool, Massachusettsi Tehnoloogiainstituut), San Franciscos (Berkeley), Los Angeleses (California Institute of Technology), New Yorgis (Rockefelleri Ülikool), Bethesda tervishoiuinstituutides jne; Saksamaal - Max Plancki instituudid, Göttingeni ja Müncheni ülikoolid; Rootsis Karolinska Instituut Stockholmis; SDV-s - Molekulaarbioloogia Keskinstituut Berliinis, Instituudid Jenas ja Halles; Ungaris - Bioloogiakeskus Szegedis. NSV Liidus oleks esimene spetsialiseeritud instituut M.. loodi Moskvas 1957. aastal NSV Liidu Teaduste Akadeemia süsteemis (vt. ); seejärel moodustati: NSV Liidu Teaduste Akadeemia Bioorgaanilise Keemia Instituut Moskvas, Valguinstituut Puštšinos, Bioloogiaosakond Aatomienergia Instituudi juures (Moskva) ja osakonnad M. b. Teaduste Akadeemia Siberi filiaali instituutides Novosibirskis, Moskva Riikliku Ülikooli bioorgaanilise keemia osakondadevahelises laboris, Ukraina NSV Teaduste Akadeemia molekulaarbioloogia ja geneetika sektoris (hiljem Instituut) Kiievis. ; märkimisväärne töö M. b. viiakse läbi Leningradi Makromolekulaarsete Ühendite Instituudis, mitmetes NSVL Teaduste Akadeemia osakondades ja laborites ning teistes osakondades.

Koos üksikute uurimiskeskustega tekkisid ka laiema ulatusega organisatsioonid. Lääne-Euroopas tekkis Euroopa M.-i organisatsioon. (EMBO), milles osaleb enam kui 10 riiki. NSV Liidus asutati 1966. aastal Molekulaarbioloogia Instituudis M. B. Teadusnõukogu, mis on selle teadmiste valdkonna koordineeriv ja korraldav keskus. Ta avaldas ulatusliku monograafiate sarja M. B. olulisemate osade kohta, regulaarselt korraldatakse M. B. „talvekoole“, korraldatakse konverentse ja sümpoosione. aktuaalsed teemad M. b. Tulevikus oleks teaduslik nõuanne M. kohta. loodi NSV Liidu Meditsiiniteaduste Akadeemias ja paljudes vabariiklikes Teaduste Akadeemiates. Ajakiri Molecular Biology on ilmunud alates 1966. aastast (6 numbrit aastas).

Üsna lühiajaliselt on NSV Liidus kasvanud arvestatav M. valdkonna teadlaste rühm; need on vanema põlvkonna teadlased, kes on oma huvid osaliselt muudelt valdkondadelt ära vahetanud; enamasti on tegemist arvukate noorte teadlastega. Juhtivate teadlaste hulgast, kes võtsid aktiivselt osa M. b. NSV Liidus võib nimetada näiteks A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. uued saavutused. ja molekulaargeneetikat hakatakse edendama NLKP Keskkomitee ja NSV Liidu Ministrite Nõukogu resolutsiooniga (mai 1974) „Molekulaarbioloogia ja molekulaargeneetika arengu kiirendamise ja nende saavutuste kasutamise kiirendamise meetmete kohta rahvuslikus ühiskonnas. majandus."

Lit.: Wagner R., Mitchell G., Geneetika ja ainevahetus, trans. inglise keelest, M., 1958; Szent-Gyorgy ja A., Bioenergetics, tlk. inglise keelest, M., 1960; Anfinsen K., Evolutsiooni molekulaarne alus, tlk. inglise keelest, M., 1962; Stanley W., Valens E., Viirused ja elu olemus, tlk. inglise keelest, M., 1963; Molekulaargeneetika, trans. Koos. inglise keel, 1. osa, M., 1964; Volkenstein M.V., Molekulid ja elu. Sissejuhatus molekulaarsesse biofüüsikasse, M., 1965; Gaurowitz F., Valkude keemia ja funktsioonid, trans. inglise keelest, M., 1965; Bresler S. E., Sissejuhatus molekulaarbioloogiasse, 3. väljaanne, M. - L., 1973; Ingram V., Makromolekulide biosüntees, trans. inglise keelest, M., 1966; Engelhardt V. A., Molecular biology, raamatus: Development of Biology in the USSR, M., 1967; Sissejuhatus molekulaarbioloogiasse, trans. inglise keelest, M., 1967; Watson, J., Molecular Biology of the Gene, trans. inglise keelest, M., 1967; Finean J., Bioloogilised ultrastruktuurid, trans. inglise keelest, M., 1970; Bendoll, J., Lihased, molekulid ja liikumine, tlk. inglise keelest, M., 1970; Ichas M., Bioloogiline kood, tlk. inglise keelest, M., 1971; Viiruste molekulaarbioloogia, M., 1971; Valkude biosünteesi molekulaarsed alused, M., 1971; Bernhard S., Ensüümide struktuur ja funktsioon, trans. inglise keelest, M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, 2. väljaanne, M., 1971; Frenkel-Konrat H., Viiruste keemia ja bioloogia, trans. inglise keelest, M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Molecular Photobiology. Inaktiveerimise ja taastamise protsessid, trans. inglise keelest, M., 1972; Harris G., Inimese biokeemilise geneetika alused, trans. inglise keelest, M., 1973.

V. A. Engelhardt.

Suur Nõukogude entsüklopeedia. - M.: Nõukogude entsüklopeedia. 1969-1978 .

Koomiksiraamat konkursile "bio/mol/text": Täna juhatab molekulaarbioloog Katseklaas teid läbi hämmastava teaduse – molekulaarbioloogia – maailma! Alustame ajaloolise ekskursiooniga läbi selle arenguetappide, kirjeldame peamisi avastusi ja katsetusi alates 1933. aastast. Ja kirjeldame selgelt ka molekulaarbioloogia peamisi meetodeid, mis võimaldasid geenidega manipuleerida, neid muuta ja isoleerida. Nende meetodite ilmumine andis tugeva tõuke molekulaarbioloogia arengule. Ja meenutagem ka biotehnoloogia rolli ja puudutagem üht selle valdkonna populaarseimat teemat – genoomi redigeerimist CRISPR/Cas süsteemide abil.

Konkursi peasponsor ja Skoltechi nominatsiooni partner on .

Konkursi sponsor on firma Diaem: suurim bioloogiliste uuringute ja tootmise seadmete, reaktiivide ja kulumaterjalide tarnija.

Ettevõte sponsoreeris publiku valiku auhinda.

Konkursi "Raamat" sponsor - "Alpina non-fiction"

1. Sissejuhatus. Molekulaarbioloogia olemus

See uurib organismide elutegevuse põhitõdesid makromolekulide tasemel. Molekulaarbioloogia eesmärk on teha kindlaks nende makromolekulide roll ja toimimismehhanismid nende struktuuride ja omadustega seotud teadmiste põhjal.

Ajalooliselt tekkis molekulaarbioloogia nukleiinhappeid ja valke uurivate biokeemia valdkondade väljatöötamise käigus. Kuigi biokeemia uurib ainevahetust, keemiline koostis elusrakud, organismid ja neis läbiviidavad keemilised protsessid, molekulaarbioloogia keskendub geneetilise informatsiooni edasikandumise, paljunemise ja säilitamise mehhanismide uurimisele.

Ja molekulaarbioloogia uurimisobjektiks on nukleiinhapped ise - desoksüribonukleiinhape (DNA), ribonukleiinhape (RNA) - ja valgud, aga ka nende makromolekulaarsed kompleksid - kromosoomid, ribosoomid, multiensüümsüsteemid, mis tagavad valkude ja nukleiinhapete biosünteesi. Molekulaarbioloogia piirneb ka uurimisobjektidega ja langeb osaliselt kokku molekulaargeneetika, viroloogia, biokeemia ja mitmete teiste seotud bioloogiateadustega.

2. Ajalooline ekskursioon läbi molekulaarbioloogia arenguetappide

Eraldi biokeemia valdkonnana hakkas molekulaarbioloogia arenema eelmise sajandi 30ndatel. Juba siis tekkis vajadus mõista elu fenomeni molekulaarsel tasandil, et uurida geneetilise informatsiooni edastamise ja säilitamise protsesse. Just sel ajal pandi paika molekulaarbioloogia ülesanne valkude ja nukleiinhapete omaduste, struktuuri ja vastastikmõju uurimisel.

Mõistet "molekulaarbioloogia" kasutati esmakordselt aastal 1933 aasta William Astbury fibrillaarsete valkude (kollageen, vere fibriin, kontraktiilsed lihasvalgud) uurimisel. Astbury uuris seost nende valkude molekulaarstruktuuri ja bioloogiliste, füüsikaliste omaduste vahel. Molekulaarbioloogia tekkimise alguses peeti RNA-d ainult taimede ja seente komponendiks ning DNA-d ainult loomadeks. Ja sisse 1935 Andrei Belozersky poolt herneste DNA avastamine tõi kaasa fakti, et DNA sisaldub igas elusrakus.

IN 1940 Kolossaalne saavutus oli George Beadle'i ja Edward Tathami geenide ja valkude vahelise põhjusliku seose tuvastamine. Teadlaste hüpotees "Üks geen – üks ensüüm" pani aluse arusaamale, et valgu spetsiifilist struktuuri reguleerivad geenid. Arvatakse, et geneetilist teavet kodeerib DNA-s spetsiaalne nukleotiidide järjestus, mis reguleerib valkude esmast struktuuri. Hiljem tõestati, et paljudel valkudel on kvaternaarne struktuur. Selliste struktuuride moodustamisel osalevad mitmesugused peptiidahelad. Sellest lähtuvalt on geeni ja ensüümi vahelise seose sätet mõnevõrra muudetud ning nüüd kõlab see nagu "Üks geen – üks polüpeptiid".

IN 1944 1999. aastal tõestasid Ameerika bioloog Oswald Avery ja tema kolleegid (Colin McLeod ja McLean McCarthy), et aine, mis põhjustab bakterite transformatsiooni, on DNA, mitte valgud. Eksperiment tõestas DNA rolli päriliku teabe edastamisel, jättes välja aegunud teadmised geenide valgulise olemuse kohta.

1950. aastate alguses näitas Frederick Sanger, et valguahel on ainulaadne aminohappejääkide järjestus. IN 1951 Ja 1952 aastatel määras teadlane kahe polüpeptiidahela - veise insuliini - täieliku järjestuse IN(30 aminohappejääki) ja A(vastavalt 21 aminohappejääki).

Umbes samal ajal, sisse 1951–1953 Erwin Chargaff sõnastas DNA lämmastikualuste suhte reeglid. Reegli järgi on sõltumata elusorganismide liigierinevusest nende DNA-s adeniini (A) kogus võrdne tümiini (T) ja guaniini (G) kogus tsütosiini kogusega. (C).

IN 1953 tõestas DNA geneetilist rolli. James Watson ja Francis Crick tegid Rosalind Franklini ja Maurice Wilkinsi DNA röntgenpildi põhjal kindlaks DNA ruumilise struktuuri ja esitasid hiljem kinnitatud oletuse selle replikatsiooni (kahekordistumise) mehhanismi kohta, mis on pärilikkuse aluseks.

1958 aasta - molekulaarbioloogia keskse dogma kujunemine Francis Cricki poolt: geneetilise informatsiooni ülekanne läheb DNA → RNA → valgu suunas.

Dogma olemus seisneb selles, et rakkudes toimub teatav suunatud infovoog DNA-st, mis omakorda on algne geneetiline tekst, mis koosneb neljast tähest: A, T, G ja C. See on kirjutatud DNA-sse. topeltheeliks nende tähtede järjestuste kujul - nukleotiidid.

Seda teksti transkribeeritakse. Ja protsessi nimetatakse transkriptsioon. Selle protsessi käigus sünteesitakse RNA, mis on identne geneetilise tekstiga, kuid erinevusega: RNA-s on T asemel U (uratsiil).

Seda RNA-d nimetatakse sõnumitooja RNA (mRNA), või maatriks (mRNA). Saade mRNA viiakse läbi geneetilise koodi abil nukleotiidide triplettjärjestuse kujul. Selle protsessi käigus tõlgitakse DNA ja RNA nukleiinhapete tekst neljatähelisest tekstist kahekümnetäheliseks aminohapete tekstiks.

Looduslikke aminohappeid on vaid kakskümmend ja nukleiinhapete tekstis on neli tähte. Seetõttu toimub geneetilise koodi kaudu tõlge neljatähelisest tähestikust kahekümnetähelisele tähestikule, milles igale kolmele nukleotiidile vastab aminohape. Nii et neljast tähest saab teha tervelt 64 kolmetähelist kombinatsiooni, pealegi on aminohappeid 20. Siit järeldub, et geneetilisel koodil peab tingimata olema degeneratsiooni omadus. Ent tollal polnud geneetilist koodi veel teada, pealegi polnud seda hakatudki dešifreerima, vaid Crick oli oma keskse dogma juba sõnastanud.

Sellegipoolest oli kindel, et kood peab olemas olema. Selleks ajaks oli tõestatud, et sellel koodil oli kolmikmärk. See tähendab, et nukleiinhapetes on konkreetselt kolm tähte ( koodonid) vastavad mis tahes aminohappele. Neid koodoneid on 64, need kodeerivad 20 aminohapet. See tähendab, et iga aminohape vastab korraga mitmele koodonile.

Seega võime järeldada, et keskne dogma on postulaat, mis ütleb, et rakus toimub suunatud infovoog: DNA → RNA → valk. Crick rõhutas keskse dogma põhisisu: vastupidist infovoogu ei saa toimuda, valk ei ole võimeline geneetilist informatsiooni muutma.

See on keskse dogma peamine tähendus: valk ei ole võimeline muutma ja transformeerima teavet DNA-ks (või RNA-ks), voog läheb alati ainult ühes suunas.

Mõni aeg pärast seda avastati uus ensüüm, mida keskse dogma koostamise ajal ei tuntud, - pöördtranskriptaas mis sünteesib RNA-st DNA-d. Ensüüm avastati viirustes, mille geneetiline informatsioon on kodeeritud RNA-s, mitte DNA-s. Selliseid viiruseid nimetatakse retroviirusteks. Neil on viiruskapsel, millesse on suletud RNA ja spetsiaalne ensüüm. Ensüüm on pöördtranskriptaas, mis sünteesib DNA-d vastavalt selle viiruse RNA mallile ja see DNA toimib seejärel geneetilise materjalina viiruse edasiseks arendamiseks rakus.

Muidugi põhjustas see avastus molekulaarbioloogide seas suure šoki ja palju poleemikat, kuna usuti, et keskse dogma põhjal ei saa see nii olla. Crick selgitas aga kohe, et ta pole kunagi öelnud, et see on võimatu. Ta ütles vaid, et kunagi ei saa toimuda infovoogu valgult nukleiinhapetele ja juba nukleiinhapete sees on igasugused protsessid täiesti võimalikud: DNA süntees DNA-l, DNA süntees RNA-l, RNA süntees DNA-l ja RNA süntees RNA-l.

Pärast keskse dogma sõnastamist jäi õhku veel hulk küsimusi: kuidas kodeerib DNA (või RNA) moodustava nelja nukleotiidi tähestik valke moodustavate aminohapete 20-tähelist tähestikku? Mis on geneetilise koodi olemus?

Esimesed ideed geneetilise koodi olemasolu kohta sõnastas Alexander Downes ( 1952 d.) ja Georgi Gamov ( 1954 G.). Teadlased on näidanud, et nukleotiidide järjestus peab sisaldama vähemalt kolme linki. Hiljem tõestati, et selline järjestus koosneb kolmest nukleotiidist, nn koodon (kolmik). Kuid küsimus, millised nukleotiidid vastutavad millise aminohappe valgu molekuli lisamise eest, jäi lahtiseks kuni 1961. aastani.

Ja sisse 1961 Marshall Nirenberg ja Heinrich Mattei kasutasid seda süsteemi ringhäälingu edastamiseks in vitro. Matriitsina kasutati oligonukleotiidi. See sisaldas ainult uratsiili jääke ja sellest sünteesitud peptiid sisaldas ainult aminohapet fenüülalaniini. Seega tehti esmalt kindlaks koodoni tähendus: koodon UUU kodeerib fenüülalaniini. Hiljem leidis Har Koraan, et nukleotiidjärjestus UCUCUCUCUCUCUC kodeerib aminohapete komplekti seriin-leutsiin-seriin-leutsiin. Üldiselt tänu Nirenbergi ja Koraani teostele 1965 aastal oli geneetiline kood täielikult lahti harutatud. Selgus, et iga kolmik kodeerib kindlat aminohapet. Ja koodonite järjekord määrab valgu aminohapete järjekorra.

Valkude ja nukleiinhapete toimimise põhiprintsiibid sõnastati 70ndate alguseks. Leiti, et valkude ja nukleiinhapete süntees toimub maatriksmehhanismi järgi. Matriitsmolekul kannab kodeeritud teavet aminohapete või nukleotiidide järjestuse kohta. Replikatsiooni või transkriptsiooni ajal on matriitsiks DNA ning translatsiooni ja pöördtranskriptsiooni ajal mRNA.

Nii loodi eeldused molekulaarbioloogia, sh geenitehnoloogia valdkondade kujunemiseks. Ja 1972. aastal töötasid Paul Berg ja kolleegid välja molekulaarse kloonimise tehnoloogia. Teadlased on saanud esimese rekombinantse DNA in vitro. Need silmapaistvad avastused moodustasid aluse molekulaarbioloogias uuele suunale ja 1972 aastat on sellest ajast peale peetud geenitehnoloogia sünnikuupäevaks.

3. Molekulaarbioloogia meetodid

Tohutud edusammud nukleiinhapete, DNA struktuuri ja valkude biosünteesi uurimisel on viinud mitmete meditsiinis väga oluliste meetodite loomiseni, põllumajandus ja teadust üldiselt.

Pärast geneetilise koodi ja päriliku teabe säilitamise, edastamise ja rakendamise põhiprintsiipide uurimist muutusid molekulaarbioloogia edasiseks arenguks vajalikuks spetsiaalsed meetodid. Need meetodid võimaldaksid geene manipuleerida, muuta ja isoleerida.

Selliste meetodite tekkimine toimus 1970. ja 1980. aastatel. See andis tohutu tõuke molekulaarbioloogia arengule. Esiteks on need meetodid otseselt seotud geenide tootmise ja nende viimisega teiste organismide rakkudesse, samuti nukleotiidjärjestuse määramise võimalusega geenides.

3.1. DNA elektroforees

DNA elektroforees on DNA-ga töötamise põhimeetod. DNA elektroforeesi kasutatakse koos peaaegu kõigi teiste meetoditega soovitud molekulide eraldamiseks ja tulemuste edasiseks analüüsimiseks. Geelelektroforeesi meetodit kasutatakse DNA fragmentide eraldamiseks pikkuse järgi.

Enne või pärast elektroforeesi töödeldakse geeli värvainetega, mis võivad DNA-ga seonduda. Värvained fluorestseerivad ultraviolettvalguses, mille tulemuseks on geelis ribade muster. DNA fragmentide pikkuse määramiseks saab neid võrrelda markerid- standardpikkusega fragmentide komplektid, mis kantakse samale geelile.

Fluorestseeruvad valgud

Eukarüootsete organismide uurimisel on mugav kasutada markergeenidena fluorestseeruvaid valke. Esimese rohelise fluorestseeruva valgu geen ( roheline fluorestseeruv valk, GFP) isoleeritud millimallikast Aqeuorea victoria ja seejärel viidud erinevatesse organismidesse. Pärast seda eraldati teiste värvide fluorestseeruvate valkude geenid: sinine, kollane, punane. Huvipakkuvate omadustega valkude saamiseks on selliseid geene kunstlikult modifitseeritud.

Üldiselt on DNA molekuliga töötamiseks kõige olulisemad vahendid ensüümid, mis viivad rakkudes läbi mitmeid DNA transformatsioone: DNA polümeraas, DNA ligaasid Ja piirab (restriktsiooni endonukleaasid).

transgenees

transgenees Seda nimetatakse geenide ülekandmiseks ühelt organismilt teisele. Selliseid organisme nimetatakse transgeensed.

Rekombinantsed valgupreparaadid saadakse lihtsalt geenide ülekandmisel mikroorganismide rakkudesse. Enamik neist valkudest on interferoonid, insuliini, mõned valguhormoonid, aga ka valgud mitmete vaktsiinide tootmiseks.

Muudel juhtudel kasutatakse eukarüootide või transgeensete loomade, enamasti kariloomade, rakukultuure, mis eritavad piima vajalikke valke. Nii saadakse antikehad, vere hüübimisfaktorid ja muud valgud. Kahjurite ja herbitsiidide suhtes resistentsete põllukultuuride saamiseks kasutatakse transgeneesi meetodit ning reovee puhastamine toimub transgeensete mikroorganismide abil.

Lisaks kõigele eelnevale on transgeensed tehnoloogiad teadusuuringutes asendamatud, sest bioloogia areng on geenide modifitseerimise ja ülekande meetodite kasutamisega kiirem.

Piiravad

Restriktsiooniensüümide poolt äratuntavad järjestused on sümmeetrilised, seega võivad tekkida igasugused katkestused kas sellise järjestuse keskel või nihkega DNA molekuli ühes või mõlemas ahelas.

Mis tahes DNA tükeldamisel restriktsiooniensüümiga on fragmentide otstes olevad järjestused samad. Nad saavad uuesti ühenduse luua, kuna neil on üksteist täiendavad saidid.

Nende järjestuste õmblemisel saate ühe molekuli DNA ligaasid. Tänu sellele on võimalik kombineerida kahe erineva DNA fragmente ja saada rekombinantne DNA.

3.2. PCR

Meetod põhineb DNA polümeraaside võimel täiendada DNA teist ahelat mööda komplementaarset ahelat samamoodi nagu DNA replikatsiooni protsessis rakus.

3.3. DNA sekveneerimine

Sekveneerimismeetodi kiire areng võimaldab tõhusalt määrata uuritava organismi omadusi selle genoomi tasemel. Selliste genoomiliste ja postgenoomiliste tehnoloogiate peamine eelis on uurimis- ja õppimisvõimaluste suurenemine. geneetiline olemus inimeste haigusi, et ette võtta vajalikke meetmeid ja vältida haigusi.

Suuremahuliste uuringute abil on võimalik saada vajalikke andmeid erinevate inimrühmade erinevate geneetiliste omaduste kohta, arendades seeläbi meditsiini meetodeid. Seetõttu on tänapäeval väga populaarne erinevate haiguste geneetilise eelsoodumuse tuvastamine.

Sarnased meetodid on laialdaselt rakendatavad praktiliselt kogu maailmas, sealhulgas Venemaal. Tänu teaduse arengule võetakse sellised meetodid kasutusele meditsiiniuuringutes ja meditsiinipraktikaüldiselt.

4. Biotehnoloogia

Biotehnoloogia- distsipliin, mis uurib elusorganismide või nende süsteemide kasutamise võimalusi tehnoloogiliste probleemide lahendamiseks, samuti elusorganismide loomist soovitud omadused geenitehnoloogia kaudu. Biotehnoloogias rakendatakse keemia, mikrobioloogia, biokeemia ja loomulikult molekulaarbioloogia meetodeid.

Biotehnoloogia arengu põhisuunad (biotehnoloogiliste protsesside põhimõtted juurutatakse kõigis tööstusharudes):

1. Uut tüüpi toidu ja loomasööda loomine ja tootmine.
2. Uute mikroorganismide tüvede hankimine ja uurimine.
3. Uute taimesortide aretamine, samuti vahendite loomine taimede kaitsmiseks haiguste ja kahjurite eest.
4. Biotehnoloogia meetodite rakendamine ökoloogia vajadusteks. Selliseid biotehnoloogilisi meetodeid kasutatakse jäätmete ringlussevõtuks, reovee puhastamiseks, heitõhu ja pinnase kanalisatsiooniks.
5. Vitamiinide, hormoonide, ensüümide, seerumite tootmine meditsiini vajadusteks. Biotehnoloogid arenevad paremaks ravimid varem ravimatuks peetud.

Biotehnoloogia suur saavutus on geenitehnoloogia.

Geenitehnoloogia- tehnoloogiate ja meetodite kogum rekombinantsete RNA ja DNA molekulide saamiseks, üksikute geenide eraldamiseks rakkudest, geenidega manipuleerimiseks ja nende viimiseks teistesse organismidesse (bakterid, pärm, imetajad). Sellised organismid on võimelised tootma soovitud muudetud omadustega lõpptooteid.

Geenitehnoloogia meetodid on suunatud uute, varem looduses olematute geenikombinatsioonide konstrueerimisele.

Geenitehnoloogia saavutustest rääkides on võimatu mitte puudutada kloonimise teemat. Kloonimine on üks biotehnoloogia meetoditest, mida kasutatakse mittesugulise paljunemise teel erinevate organismide identsete järglaste saamiseks.

Teisisõnu võib kloonimist käsitleda kui organismi või raku geneetiliselt identsete koopiate loomise protsessi. Ja kloonitud organismid on sarnased või täiesti identsed mitte ainult väliste tunnuste, vaid ka geneetilise sisu poolest.

Kurikuulsast lambast Dollyst sai 1966. aastal esimene kloonitud imetaja. See saadi somaatilise raku tuuma siirdamisel munaraku tsütoplasmasse. Dolly oli tuumadoonorlamba geneetiline koopia. Looduslikes tingimustes moodustub isend ühest viljastatud munarakust, olles saanud poole geneetilisest materjalist kahelt vanemalt. Kloonimise käigus võeti aga geneetiline materjal ühe isendi rakust. Kõigepealt eemaldati sügoodist tuum, mis sisaldab DNA-d ennast. Seejärel eemaldati täiskasvanud lamba rakust tuum ja siirdati see ilma tuumata sügooti, ​​seejärel siirdati see täiskasvanud inimese emakasse ning lasti kasvada ja areneda.

Kõik kloonimiskatsed pole aga olnud edukad. Paralleelselt Dolly kloonimisega viidi läbi DNA asenduskatse 273 teise munaga. Kuid ainult ühel juhul sai täiskasvanud elusloom täielikult areneda ja kasvada. Pärast Dollyt üritasid teadlased kloonida teist tüüpi imetajaid.

Üks geenitehnoloogia liike on genoomi redigeerimine.

CRISPR/Cas tööriist põhineb bakterite immuunkaitsesüsteemi elemendil, mida teadlased on kohandanud loomade või taimede DNA-s mistahes muutuste sisseviimiseks.

CRISPR/Cas on üks biotehnoloogilisi meetodeid üksikute geenide manipuleerimiseks rakkudes. Sellel tehnoloogial on palju rakendusi. CRISPR/Cas võimaldab teadlastel välja selgitada erinevate geenide funktsiooni. Selleks tuleb lihtsalt uuritav geen DNA-st välja lõigata ja uurida, milliseid organismi funktsioone see mõjutas.

Mõned süsteemi praktilised rakendused:

1. Põllumajandus. CRISPR/Cas süsteemide abil saab põllukultuure parandada. Just nimelt selleks, et need oleksid maitsvamad ja toitvamad, aga ka kuumakindlad. Taimi on võimalik varustada muude omadustega: näiteks lõigata pähklitest (maapähklitest või sarapuupähklitest) välja allergeenigeen.
2. Meditsiin, pärilikud haigused. Teadlaste eesmärk on kasutada CRISPR/Casi, et eemaldada inimese genoomist mutatsioonid, mis võivad põhjustada haigusi, nagu sirprakuline aneemia jne. Teoreetiliselt võib CRISPR/Cas peatada HIV-i arengu.
3. Geeniajam. CRISPR/Cas võib muuta mitte ainult üksiku looma või taime genoomi, vaid ka liigi genofondi. Seda mõistet tuntakse kui "geeniajam". Iga elusorganism annab pooled oma geenidest edasi oma järglastele. Kuid CRISPR/Cas kasutamine võib suurendada geeniülekande võimalust kuni 100%. See on oluline soovitud tunnuse kiiremaks levimiseks kogu populatsioonis.

Šveitsi teadlased on oluliselt täiustanud ja moderniseerinud CRISPR/Cas genoomi redigeerimise meetodit, avardades seeläbi selle võimalusi. Kuid teadlased said CRISPR / Cas süsteemi abil korraga muuta ainult ühte geeni. Kuid nüüd on ETH Zürichi teadlased välja töötanud meetodi, mis suudab üheaegselt modifitseerida rakus 25 geeni.

Uusima tehnika jaoks kasutasid eksperdid ensüümi Cas12a. Geneetikud on esimest korda ajaloos edukalt ahve klooninud. "Populaarne mehaanika";

Nikolenko S. (2012). Genoomika: probleemi püstitamine ja sekveneerimismeetodid. "Järelteadus".

31.2

Sõpradele!

Viide

Molekulaarbioloogia kasvas välja biokeemiast 1953. aasta aprillis. Selle välimus on seotud James Watsoni ja Francis Cricki nimedega, kes avastasid DNA molekuli struktuuri. Avastus sai võimalikuks geneetika, bakterite ja viiruste biokeemia uurimise kaudu. Molekulaarbioloogi elukutse pole laialt levinud, kuid tänapäeval on selle roll kaasaegses ühiskonnas väga suur. Paljud haigused, sealhulgas need, mis avalduvad geneetilisel tasandil, nõuavad teadlastelt sellele probleemile lahenduste leidmist.

Tegevuse kirjeldus

Viirused ja bakterid muteeruvad pidevalt, mis tähendab, et ravimid ei aita enam inimest ja haigused muutuvad ravimatuks. Molekulaarbioloogia ülesanne on sellest protsessist ette jõuda ja välja töötada uus haigusravi. Teadlased töötavad väljakujunenud skeemi järgi: haiguse põhjuse blokeerimine, pärilikkuse mehhanismide kõrvaldamine ja seeläbi patsiendi seisundi leevendamine. Üle maailma on mitmeid keskusi, kliinikuid ja haiglaid, kus molekulaarbioloogid töötavad välja uusi ravimeetodeid patsientide abistamiseks.

Töökohustused

Molekulaarbioloogi kohustuste hulka kuulub rakusiseste protsesside uurimine (näiteks DNA muutused kasvajate tekke käigus). Samuti uurivad eksperdid DNA tunnuseid, nende mõju kogu organismile ja üksikule rakule. Sellised uuringud viiakse läbi näiteks PCR-i (polümeraasi ahelreaktsiooni) põhjal, mis võimaldab analüüsida keha infektsioonide, pärilike haiguste suhtes ja määrata bioloogilisi seoseid.

Karjääri kasvu tunnused

Molekulaarbioloogi elukutse on omal alal küllaltki perspektiivikas ja pretendeerib juba täna tuleviku arstikutsete edetabelis esikohale. Muide, molekulaarbioloog ei pea kogu aeg selle ala juurde jääma. Kui on soov ametit vahetada, saab ta end ümber koolitada laboriseadmete müügijuhiks, hakata välja töötama instrumente erinevateks õpinguteks või avada oma ettevõtte.

1. Sissejuhatus.

Molekulaarbioloogia ja geneetika õppeaine, ülesanded ja meetodid. "Klassikalise" geneetika ja mikroorganismide geneetika tähtsus molekulaarbioloogia ja geenitehnoloogia arengus. Geeni mõiste "klassikalises" ja molekulaargeneetikas, selle evolutsioon. Geenitehnoloogia metoodika panus molekulaargeneetika arengusse. Geenitehnoloogia rakendusväärtus biotehnoloogia jaoks.

2. Pärilikkuse molekulaarsed alused.

Raku mõiste, selle makromolekulaarne koostis. Geneetilise materjali olemus. Tõendite ajalugu DNA geneetilise funktsiooni kohta.

2.1. Erinevat tüüpi nukleiinhapped. Nukleiinhapete bioloogilised funktsioonid. Keemiline struktuur, ruumiline struktuur ja füüsikalised omadused nukleiinhapped. Pro- ja eukarüootide geneetilise materjali struktuurilised omadused. Täiendavad Watson-Cricki aluspaarid. Geneetiline kood. Geneetilise koodi dešifreerimise ajalugu. Koodi peamised omadused: kolmik, kood ilma komadeta, degeneratsioon. Koodisõnastiku tunnused, koodonite perekonnad, semantilised ja "mõttetud" koodonid. Ringikujulised DNA molekulid ja DNA ülikerimise kontseptsioon. DNA topoisomeerid ja nende tüübid. Topoisomeraaside toimemehhanismid. Bakteriaalne DNA güraas.

2.2. DNA transkriptsioon. Prokarüootne RNA polümeraas, selle allüksus ja kolmemõõtmelised struktuurid. Erinevad sigmafaktorid. Prokarüootse geeni promootor, selle struktuurielemendid. Transkriptsioonitsükli etapid. Transkriptsiooni initsiatsioon, “avatud kompleksi” moodustumine, pikenemine ja lõpetamine. transkriptsiooni nõrgenemine. Trüptofaani operoni ekspressiooni reguleerimine. "Riboswitchid". Transkriptsiooni lõpetamise mehhanismid. Transkriptsiooni negatiivne ja positiivne regulatsioon. laktoosi operon. Transkriptsiooni regulatsioon lambda faagi arengus. Reguleerivate valkude (CAP-valgu ja lambda-faagi repressori) DNA äratundmise põhimõtted. Transkriptsiooni tunnused eukarüootides. RNA töötlemine eukarüootides. Transkriptide piiramine, splaissimine ja polüadenüülimine. splaissimise mehhanismid. Väikese tuuma RNA ja valgufaktorite roll. Alternatiivne splaissimine, näited.

2.3. Saade, selle etapid, ribosoomide funktsioon. Ribosoomide asukoht rakus. Prokarüootsed ja eukarüootsed ribosoomide tüübid; 70S ja 80S ribosoomid. Ribosoomide morfoloogia. Jagamine alamosakesteks (alaühikuteks). Koodonist sõltuv aminoatsüül-tRNA seondumine elongatsioonitsüklis. Koodoni-antikoodoni interaktsioon. Elongatsioonifaktori EF1 (EF-Tu) osalemine aminoatsüül-tRNA sidumisel ribosoomiga. Elongatsioonitegur EF1B (EF-Ts), selle funktsioon, reaktsioonide jada selle osalusel. Antibiootikumid, mis mõjutavad aminoatsüül-tRNA ribosoomiga koodonist sõltuva seondumise etappi. Aminoglükosiidide antibiootikumid (streptomütsiin, neomütsiin, kanamütsiin, gentamütsiin jt), nende toimemehhanism. Tetratsükliinid kui aminoatsüül-tRNA ribosoomiga seondumise inhibiitorid. Saate algatamine. Algatamisprotsessi peamised etapid. Translatsiooni initsiatsioon prokarüootides: initsiatsioonifaktorid, initsiaatorkoodonid, RNA väikese ribosomaalse subühiku 3¢ ots ja Shine-Dalgarno järjestus mRNA-s. Translatsiooni initsiatsioon eukarüootides: initsiatsioonifaktorid, initsiaatorkoodonid, 5¢-mittetransleeritav piirkond ja korgist sõltuv terminaalne initsiatsioon. "Sisemine" korgist sõltumatu initsiatsioon eukarüootides. Transpeptidatsioon. Transpeptidatsiooni inhibiitorid: klooramfenikool, linkomütsiin, amitsetiin, streptogramiinid, anisomütsiin. Translokatsioon. Pikendusteguri EF2 (EF-G) ja GTP kaasamine. Translokatsiooni inhibiitorid: fusidiinhape, viomütsiin, nende toimemehhanismid. Tõlke lõpetamine. Lõpetuskoodonid. Prokarüootide ja eukarüootide valgu terminatsioonifaktorid; kahte klassi lõpetamisfaktoreid ja nende toimemehhanisme. Tõlke reguleerimine prokarüootides.

2.4. DNA replikatsioon ja selle geneetiline kontroll. Replikatsioonis osalevad polümeraasid, nende ensümaatilise aktiivsuse omadused. DNA truudus. DNA aluspaaride vaheliste steeriliste interaktsioonide roll replikatsiooni ajal. E. coli polümeraasid I, II ja III. Polümeraas III subühikud. Replikatsioonikahvel, "juht" ja "jäänud" lõimed replikatsiooni ajal. Okazaki killud. Valkude kompleks replikatsioonikahvlis. Replikatsiooni initsiatsiooni reguleerimine E. coli's. Replikatsiooni lõpetamine bakterites. Plasmiidi replikatsiooni reguleerimise tunnused. Kahesuunaline ja veerev rõnga replikatsioon.

2.5. Rekombinatsioon, selle tüübid ja mudelid. Üldine või homoloogne rekombinatsioon. Kaheahelalised katkestused DNA-s, mis käivitavad rekombinatsiooni. Rekombinatsiooni roll kaheahelaliste katkestuste replikatsioonijärgses parandamises. Holliday struktuur rekombinatsioonimudelis. Üldise rekombinatsiooni ensümoloogia E. coli's. RecBCD kompleks. Reca valk. Rekombinatsiooni roll DNA sünteesi tagamisel replikatsiooni katkestava DNA kahjustuse korral. rekombinatsioon eukarüootides. Rekombinatsiooniensüümid eukarüootides. Saidispetsiifiline rekombinatsioon. Üldise ja kohaspetsiifilise rekombinatsiooni molekulaarsete mehhanismide erinevused. Rekombinaaside klassifikatsioon. Kohaspetsiifilise rekombinatsiooni käigus läbi viidud kromosomaalsete ümberkorralduste tüübid. Kohtspetsiifilise rekombinatsiooni regulatiivne roll bakterites. Mitmerakuliste eukarüootsete kromosoomide konstrueerimine kohaspetsiifilise faagi rekombinatsioonisüsteemi abil.

2.6. DNA parandamine. Reparatsiooniliikide klassifikatsioon. Tümiini dimeeride ja metüülitud guaniini otsene parandamine. Aluste välja lõikamine. Glükosülaasid. Paaritute nukleotiidide parandamise mehhanism (mittevastavuse parandamine). Parandatava DNA ahela valik. SOS remont. SOS-i parandamisel osalevate DNA polümeraaside omadused prokarüootides ja eukarüootides. Mõiste "adaptiivsed mutatsioonid" bakterites. Kaheahelaliste katkestuste parandamine: homoloogne replikatsioonijärgne rekombinatsioon ja DNA molekuli mittehomoloogsete otste ühendamine. Replikatsiooni, rekombinatsiooni ja reparatsiooni protsesside seos.

3. Mutatsiooniprotsess.

Biokeemiliste mutantide roll ühe geeni - ühe ensüümi teooria kujunemisel. Mutatsioonide klassifikatsioon. Punktmutatsioonid ja kromosoomide ümberkorraldused, nende tekkemehhanism. Spontaanne ja indutseeritud mutagenees. Mutageenide klassifikatsioon. Mutageneesi molekulaarne mehhanism. Mutageneesi ja parandamise vaheline seos. Mutantide identifitseerimine ja valik. Supressioon: intrageenne, intergeenne ja fenotüübiline.

4. Ekstrakromosomaalsed geneetilised elemendid.

Plasmiidid, nende struktuur ja klassifikatsioon. Sugufaktor F, selle struktuur ja elutsükkel. Faktori F roll kromosoomide ülekande mobiliseerimisel. Hfr ja F doonorite teke Konjugatsiooni mehhanism Bakteriofaagid, nende struktuur ja elutsükkel Virulentsed ja parasvöötme bakteriofaagid Lüsogenees ja transduktsioon Üldine ja spetsiifiline transduktsioon Migreerivad geneetilised elemendid: transposoonid ja IS järjestused, nende roll geneetilises ainevahetuses DNA - transposoonid prokarüootide ja eukarüootide genoomis Bakterite IS-järjestused, nende struktuur IS-järjestused bakterite F-faktori komponendina, mis määrab konjugatsiooni käigus geneetilise materjali ülekandmise võime Bakterite ja eukarüootsete organismide transposoonid Otsene mittepaljunemine ja transpositsioonide replikatiivsed mehhanismid Horisontaalse transposooni ülekande kontseptsioon ja nende roll struktuursetes ümberkorraldustes (ektoopiline rekombinatsioon) ja genoomi evolutsioonis.

5. Geeni ehituse ja talitluse uurimine.

Geneetilise analüüsi elemendid. Cis-trans komplementatsiooni test. Geneetiline kaardistamine konjugatsiooni, transduktsiooni ja transformatsiooni abil. Geneetiliste kaartide koostamine. Peen geneetiline kaardistamine. Geenistruktuuri füüsiline analüüs. heterodupleksanalüüs. Piirangute analüüs. Järjestusmeetodid. polümeraasi ahelreaktsioon. Geeni funktsiooni paljastamine.

6. Geeniekspressiooni reguleerimine. Operoni ja reguloni mõisted. Kontroll transkriptsiooni initsiatsiooni tasemel. Promootor-, operaator- ja regulaatorvalgud. Geeniekspressiooni positiivne ja negatiivne kontroll. Kontroll transkriptsiooni lõpetamise tasemel. Kataboliidiga juhitavad operonid: laktoosi, galaktoosi, arabinoosi ja maltoosi operonite mudelid. Atenuaatoriga juhitavad operonid: trüptofaani operoni mudel. Geeniekspressiooni multivalentne reguleerimine. Globaalsed reguleerimissüsteemid. Regulatiivne reaktsioon stressile. transkriptsioonijärgne kontroll. signaaliülekanne. RNA-vahendatud regulatsioon: väikesed RNA-d, sensor-RNA-d.

7. Geenitehnoloogia alused. Restriktsiooniensüümid ja modifikatsioonid. Geenide eraldamine ja kloonimine. Vektorid molekulaarseks kloonimiseks. Rekombinantse DNA ehitamise põhimõtted ja nende viimine retsipientrakkudesse. Geenitehnoloogia rakenduslikud aspektid.

A). Peamine kirjandus:

1. Watson J., Tooze J., Rekombinantne DNA: lühikursus. – M.: Mir, 1986.

2. Geenid. – M.: Mir. 1987.

3. Molekulaarbioloogia: nukleiinhapete struktuur ja biosüntees. / Toim. . - M. Kõrgkool. 1990. aasta.

4. , – Molekulaarne biotehnoloogia. M. 2002.

5. Spiriini ribosoomid ja valkude biosüntees. - M .: Kõrgkool, 1986.

b). Lisakirjandus:

1. Genoomi hesiin. – M.: Teadus. 1984. aasta.

2. Geenitehnoloogia Rybchin. - Peterburi: Peterburi Riiklik Tehnikaülikool. 1999. aasta.

3. Patruševi geenid. – M.: Nauka, 2000.

4. Kaasaegne mikrobioloogia. Prokarüootid (2 mahus). – M.: Mir, 2005.

5. M. Singer, P. Berg. Geenid ja genoomid. – M.: Mir, 1998.

6. Štšelkunovi insener. - Novosibirsk: Sibist. Ülikool, 2004.

7. Stepanovi bioloogia. Valkude struktuur ja funktsioonid. - M.: V. Sh., 1996.

(Molekular biology/-biologin)

• Tüüp

  Elukutse pärast lõpetamist

• Palk

  3667-5623 € kuus

Molekulaarbioloogid uurivad molekulaarprotsesse kui kõigi eluprotsesside alust. Saadud tulemuste põhjal töötavad nad välja kontseptsioonid biokeemiliste protsesside kasutamiseks näiteks meditsiiniuuringutes ja diagnostikas või biotehnoloogias. Lisaks võivad nad olla seotud farmaatsiatoodete valmistamise, tootearenduse, kvaliteedi tagamise või raviminõustamisega.

Molekulaarbioloogi kohustused

Molekulaarbioloogid võivad töötada erinevates valdkondades. Näiteks puudutavad need uurimistulemuste kasutamist tootmiseks sellistes valdkondades nagu geenitehnoloogia, valgukeemia või farmakoloogia (ravimite avastamine). Keemia- ja farmaatsiatööstuses hõlbustavad need äsja väljatöötatud toodete üleviimist uurimistööst tootmisse, toodete turustamist ja kasutajate nõustamist.

Teadusuuringutes uurivad molekulaarbioloogid orgaaniliste ühendite keemilis-füüsikalisi omadusi, samuti keemilisi protsesse (rakkude ainevahetuse vallas) elusorganismides ning avaldavad uuringute tulemusi. Kõrgemas õppeasutused nad õpetavad üliõpilasi, valmistuvad loenguteks ja seminarideks, kontrollivad kirjalikke töid ja korraldavad eksameid. Iseseisev teaduslik tegevus on võimalik alles pärast magistrikraadi ja doktorikraadi omandamist.

Kus molekulaarbioloogid töötavad?

Molekulaarbioloogid leiavad tööd, nt

• uurimisinstituutides, nt teaduse ja meditsiini valdkonnas
• kõrgkoolides
• keemia-farmaatsiatööstuses
• keskkonnakaitse osakondades

Molekulaarbioloogi palk

Saksamaal molekulaarbioloogide palgatase on

• alates 3667€ kuni 5623€ kuus

(erinevate Saksamaa statistikaametite ja tööhõiveteenistuste andmetel)

Molekulaarbioloogi ülesanded ja kohustused üksikasjalikult

Mis on molekulaarbioloogi elukutse olemus

Molekulaarbioloogid uurivad molekulaarprotsesse kui kõigi eluprotsesside alust. Saadud tulemuste põhjal töötavad nad välja kontseptsioonid biokeemiliste protsesside kasutamiseks näiteks meditsiiniuuringutes ja diagnostikas või biotehnoloogias. Lisaks võivad nad olla seotud farmaatsiatoodete valmistamise, tootearenduse, kvaliteedi tagamise või raviminõustamisega.

Kutse molekulaarbioloogia

Molekulaarbioloogia ehk molekulaargeneetika tegeleb nukleiinhapete struktuuri ja biosünteesi ning selle informatsiooni edastamise ja realiseerimisega valkude kujul toimuvate protsesside uurimisega. See võimaldab mõista nende funktsioonide valulikke häireid ja võimalusel neid geeniteraapia abil ravida. Biotehnoloogia ja geenitehnoloogia jaoks on liidesed, mis loovad lihtsad organismid, nagu bakterid ja pärm, et teha farmakoloogilist või kaubanduslikku huvi pakkuvad ained sihitud mutatsioonide kaudu tööstuslikus ulatuses kättesaadavaks.

Molekulaarbioloogia teooria ja praktika

Keemia-farmaatsiatööstus pakub molekulaarbioloogidele mitmeid töövaldkondi. Tööstuslikes tingimustes analüüsivad nad biotransformatsiooniprotsesse või arendavad ja täiustavad protsesse toimeainete ja farmatseutiliste vahesaaduste mikrobioloogiliseks tootmiseks. Lisaks tegelevad nad äsja arendatud toodete üleminekuga uurimistööst tootmisse. Kontrollimisülesandeid täites tagavad nad, et tootmisrajatised, seadmed, analüüsimeetodid ja kõik tundlike toodete, nagu ravimid, tootmise etapid vastavad alati nõutavatele kvaliteedistandarditele. Lisaks nõustavad molekulaarbioloogid kasutajaid uute toodete kasutamisel.

Juhtimiskohad nõuavad sageli magistriprogrammi.

Molekulaarbioloogid teadusuuringutes ja hariduses

Teaduse ja uurimistöö valdkonnas tegelevad molekulaarbioloogid selliste teemadega nagu valkude äratundmine, transport, voltimine ja kodifitseerimine rakus. Teadustöö tulemused, mis on aluseks praktilistele rakendustele erinevates valdkondades, avaldatakse ja tehakse seeläbi kättesaadavaks teistele teadlastele ja üliõpilastele. Konverentsidel ja kongressidel arutatakse ja tutvustatakse teadustegevuse tulemusi. Molekulaarbioloogid peavad loenguid ja seminare, juhendavad teadustööd ja korraldavad eksameid.

Iseseisev teaduslik tegevus eeldab magistrikraadi ja doktorikraadi.