زیست شناسی مولکولی کاربردی زیست شناس مولکولی. شرح شغل روش های زیست شناسی مولکولی

پیشرفت در مطالعه اسیدهای نوکلئیک و بیوسنتز پروتئین منجر به ایجاد تعدادی روش با اهمیت عملی زیادی در پزشکی، کشاورزی و تعدادی از صنایع دیگر شده است.

پس از مطالعه کد ژنتیکی و اصول اولیه ذخیره سازی و اجرای اطلاعات ارثی، توسعه زیست شناسی مولکولی متوقف شد، زیرا هیچ روشی وجود نداشت که امکان دستکاری ژن ها، جداسازی و تغییر آنها را فراهم کند. ظهور این روش ها در دهه 1970-1980 رخ داد. این امر انگیزه ای قدرتمند برای توسعه این رشته از علم، که هنوز هم در حال شکوفایی است، داد. اول از همه، این روش ها مربوط به به دست آوردن ژن های فردی و معرفی آنها به سلول های موجودات دیگر (کلونینگ مولکولی و تراریخت، PCR)، و همچنین روش هایی برای تعیین توالی نوکلئوتیدی در ژن ها (توالی یابی DNA و RNA) است. این روش ها در ادامه با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار خواهند گرفت. ما با ساده ترین روش پایه یعنی الکتروفورز شروع می کنیم و سپس به سراغ روش های پیچیده تر می رویم.

الکتروفورز DNA

این روش اساسی کار با DNA است که تقریباً در کنار تمام روش های دیگر برای جداسازی مولکول های مورد نظر و تجزیه و تحلیل نتایج به کار می رود. الکتروفورز ژل برای جداسازی قطعات DNA بر اساس طول استفاده می شود. DNA یک اسید است، مولکول های آن حاوی بقایای اسید فسفریک است که از یک پروتون جدا شده و بار منفی پیدا می کند (شکل 1).

بنابراین، در میدان الکتریکیمولکول های DNA به سمت آند حرکت می کنند - یک الکترود با بار مثبت. این در محلول الکترولیت حاوی یون های حامل بار رخ می دهد که به همین دلیل این محلول جریان را هدایت می کند. برای جداسازی قطعات، از ژل متراکم ساخته شده از پلیمرها (آگارز یا پلی آکریل آمید) استفاده می شود. مولکول های DNA هر چه بیشتر و طولانی تر در آن "در هم بپیچند" و بنابراین طولانی ترین مولکول ها کندترین و کوتاه ترین - سریع ترین حرکت را دارند (شکل 2). قبل یا بعد از الکتروفورز، ژل با رنگ هایی که به DNA متصل می شوند و در نور ماوراء بنفش فلورسانس می کنند، درمان می شود و الگویی از نوارها در ژل به دست می آید (شکل 3 را ببینید). برای تعیین طول قطعات DNA در یک نمونه، آنها را با یک نشانگر مقایسه می کنند، به عنوان مثال، مجموعه ای از قطعات با طول های استاندارد که به صورت موازی روی همان ژل قرار می گیرند (شکل 4).

مهمترین ابزار برای کار با DNA آنزیم هایی هستند که تبدیل DNA را در سلول های زنده انجام می دهند: DNA پلیمرازها، DNA لیگازها و اندونوکلئازهای محدود کننده یا آنزیم های محدود کننده. DNA پلیمرازسنتز الگوی DNA انجام می شود، که اجازه می دهد DNA در یک لوله آزمایش تکثیر شود. لیگازهای DNAمولکول های DNA را به هم بدوزید یا شکاف های موجود در آنها را بهبود بخشید. اندونوکلئازهای محدود کننده، یا محدود می کند، مولکول های DNA را طبق توالی های کاملاً تعریف شده برش دهید که به شما امکان می دهد تکه های جداگانه را از جرم کل DNA برش دهید. این قطعات ممکن است در برخی موارد حاوی ژن های فردی باشند.

محدود می کند

توالی هایی که توسط آنزیم های محدود کننده شناسایی می شوند متقارن هستند و شکستگی ها می توانند در وسط چنین توالی یا با تغییر (در یک مکان در هر دو رشته DNA) رخ دهند. طرح عمل انواع متفاوتمحدود در شکل نشان داده شده است. 1. در مورد اول، انتهای به اصطلاح "بلانت" به دست می آید، و در دوم - انتهای "چسبنده". در مورد انتهای "چسبنده" پایین، زنجیره کوتاه تر از دیگری است، یک بخش تک رشته ای با یک دنباله متقارن تشکیل می شود که در هر دو انتها یکسان است.

توالی‌های پایانی زمانی یکسان خواهند بود که هر DNA با یک آنزیم محدودکننده قطع شود و بتوان آنها را دوباره به هم متصل کرد زیرا دارای توالی‌های مکمل هستند. آنها را می توان با DNA لیگاز برای تشکیل یک مولکول منفرد پیوند داد. بنابراین، می توان قطعاتی از دو DNA مختلف را ترکیب کرد و به اصطلاح به دست آورد DNA نوترکیب. این رویکرد در روش شبیه‌سازی مولکولی استفاده می‌شود که به دست آوردن ژن‌های فردی و وارد کردن آنها به سلول‌هایی که می‌توانند پروتئین کدگذاری شده در ژن را تشکیل دهند، ممکن می‌سازد.

شبیه سازی مولکولی

شبیه سازی مولکولی از دو مولکول DNA استفاده می کند - یک درج حاوی ژن مورد نظر و بردار- DNA به عنوان یک حامل عمل می کند. این درج با کمک آنزیم‌ها به داخل ناقل دوخته می‌شود و یک مولکول DNA نوترکیب جدید به دست می‌آید، سپس این مولکول به سلول‌های میزبان وارد می‌شود و این سلول‌ها کلنی‌هایی را روی یک محیط غذایی تشکیل می‌دهند. یک کلنی نتاج یک سلول است، یعنی یک کلون، تمام سلول های کلنی از نظر ژنتیکی یکسان هستند و حاوی DNA نوترکیب یکسانی هستند. از این رو اصطلاح "کلونینگ مولکولی" به دست می آید، یعنی به دست آوردن یک کلون از سلول ها حاوی یک قطعه DNA مورد علاقه ما است. پس از اینکه کلنی های حاوی درج مورد علاقه ما به دست آمد، می توانیم روش های مختلفبرای مشخص کردن این درج، به عنوان مثال، برای تعیین توالی دقیق آن. سلول‌ها همچنین می‌توانند پروتئین کدگذاری شده توسط درج را در صورتی که حاوی یک ژن عملکردی باشد، تولید کنند.

هنگامی که یک مولکول نوترکیب به سلول ها وارد می شود، تبدیل ژنتیکی این سلول ها اتفاق می افتد. دگرگونی- فرآیند جذب توسط یک سلول ارگانیسم یک مولکول DNA آزاد از محیط و ادغام آن در ژنوم، که منجر به ظهور صفات ارثی جدید برای آن در چنین سلولی می شود که مشخصه ارگانیسم دهنده DNA است. به عنوان مثال، اگر مولکول وارد شده حاوی ژن مقاومت به آنتی بیوتیک آمپی سیلین باشد، باکتری تبدیل شده در حضور آن رشد می کند. قبل از تبدیل، آمپی سیلین باعث مرگ آنها شد، یعنی علامت جدیدی در سلول های تبدیل شده ظاهر می شود.

بردارها

یک بردار باید تعدادی ویژگی داشته باشد:

اول، این یک مولکول DNA نسبتا کوچک است که به راحتی قابل دستکاری است.

ثانیاً، برای اینکه DNA در یک سلول حفظ و تکثیر شود، باید دارای توالی خاصی باشد که تکثیر آن را تضمین کند (منبع همانندسازی یا منشا همانندسازی).

ثالثاً باید حاوی آن باشد ژن نشانگر، که انتخاب تنها سلول هایی را که بردار وارد شده است را تضمین می کند. معمولاً اینها ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی هستند - سپس در حضور یک آنتی بیوتیک، تمام سلول هایی که حاوی ناقل نیستند می میرند.

شبیه سازی ژن اغلب در سلول های باکتریایی انجام می شود، زیرا کشت آنها آسان است و به سرعت تکثیر می شوند. در یک سلول باکتری، معمولاً یک مولکول DNA دایره‌ای بزرگ به طول چندین میلیون جفت باز وجود دارد که حاوی تمام ژن‌های لازم برای باکتری - کروموزوم باکتریایی است. علاوه بر آن، در برخی از باکتری ها DNA دایره ای کوچک (چند هزار جفت باز) وجود دارد که به آنها می گویند پلاسمیدها(شکل 2). آنها مانند DNA اصلی حاوی یک توالی نوکلئوتیدی هستند که توانایی DNA را برای تکثیر (ori) فراهم می کند. پلاسمیدها مستقل از DNA اصلی (کروموزومی) تکثیر می شوند، بنابراین در تعداد زیادی نسخه در سلول وجود دارند. بسیاری از این پلاسمیدها حامل ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی هستند که تشخیص سلول‌های حامل پلاسمید را از سلول‌های عادی ممکن می‌سازد. معمولاً از پلاسمیدهای حامل دو ژن که به دو آنتی بیوتیک مانند تتراسایکلین و آمی سیلین مقاومت می کنند استفاده می شود. روش های ساده ای برای جداسازی چنین DNA پلاسمیدی عاری از DNA کروموزوم اصلی باکتری وجود دارد.

اهمیت تراریختگی

انتقال ژن از یک موجود به موجود دیگر نامیده می شود تراریخته، و چنین موجودات اصلاح شده - تراریخته. روش انتقال ژن به سلول های میکروبی برای به دست آوردن آماده سازی پروتئین نوترکیب برای پزشکی، به ویژه پروتئین های انسانی که باعث رد ایمنی نمی شوند - اینترفرون ها، انسولین و سایر هورمون های پروتئینی، فاکتورهای رشد سلولی و همچنین پروتئین هایی برای تولید واکسن استفاده می شود. در موارد پیچیده تر، زمانی که اصلاح پروتئین فقط در سلول های یوکاریوتی به درستی انجام می شود، از کشت های سلولی تراریخته یا حیوانات تراریخته استفاده می شود، به ویژه از دام ها (عمدتا بزها) که پروتئین های لازم را در شیر ترشح می کنند یا پروتئین ها از خون آنها جدا می شود. از این طریق آنتی بادی ها، فاکتورهای انعقاد خون و سایر پروتئین ها به دست می آیند. با روش تراریخته گیاهان زراعی به دست می آید که به علف کش ها و آفات مقاوم بوده و دارای سایر خواص مفید. با استفاده از میکروارگانیسم های تراریخته برای تصفیه فاضلاب و مبارزه با آلودگی، حتی میکروب های تراریخته نیز وجود دارند که می توانند نفت را تجزیه کنند. علاوه بر این، فناوری‌های تراریخته در تحقیقات علمی ضروری هستند - توسعه زیست‌شناسی امروزه بدون استفاده معمول از روش‌های اصلاح و انتقال ژن غیرقابل تصور است.

فناوری شبیه سازی مولکولی

درج می کند

برای به دست آوردن یک ژن از هر موجود زنده، تمام DNA کروموزومی از آن جدا شده و با یک یا دو آنزیم محدود کننده جدا می شود. آنزیم‌ها طوری انتخاب می‌شوند که ژن مورد نظر ما را قطع نکنند، بلکه در لبه‌های آن شکاف ایجاد کنند و در DNA پلاسمید یک شکست در یکی از ژن‌های مقاومت مثلاً به آمپی‌سیلین ایجاد می‌کنند.

فرآیند شبیه سازی مولکولی شامل مراحل زیر است:

برش و بخیه - ساخت یک مولکول نوترکیب واحد از یک درج و یک بردار.

تبدیل، ورود یک مولکول نوترکیب به سلول است.

انتخاب - انتخاب سلول هایی که بردار را با درج دریافت کرده اند.

برش و دوخت

DNA پلاسمید با همان آنزیم های محدود کننده درمان می شود و اگر آنزیم محدود کننده ای انتخاب شود که 1 شکست را به پلاسمید وارد کند به یک مولکول خطی تبدیل می شود. در نتیجه، همان انتهای چسبنده در انتهای تمام قطعات DNA حاصل ظاهر می شود. با کاهش دما، این انتهای به طور تصادفی به هم می پیوندند و با DNA لیگاز متصل می شوند (شکل 3 را ببینید).

مخلوطی از DNAهای دایره‌ای با ترکیبات مختلف به دست می‌آید: برخی از آنها حاوی یک توالی DNA خاص از DNA کروموزومی متصل به DNA باکتری هستند، برخی دیگر حاوی قطعاتی از DNA کروموزومی هستند که به یکدیگر متصل شده‌اند، و برخی دیگر حاوی یک پلاسمید دایره‌ای کاهش یافته یا دایمر آن هستند (شکل 4).

دگرگونی

بعد، این مخلوط انجام می شود تحول ژنتیکیباکتری هایی که پلاسمید ندارند. دگرگونی- فرآیند جذب توسط یک سلول ارگانیسم یک مولکول DNA آزاد از محیط و ادغام آن در ژنوم، که منجر به ظهور صفات ارثی جدید برای آن در چنین سلولی می شود که مشخصه ارگانیسم دهنده DNA است. فقط یک پلاسمید می تواند وارد هر سلول شده و تکثیر شود. چنین سلول هایی روی یک محیط غذایی جامد حاوی آنتی بیوتیک تتراسایکلین قرار می گیرند. سلول‌هایی که پلاسمید را دریافت نکرده‌اند در این محیط رشد نخواهند کرد و سلول‌های حامل پلاسمید کلونی‌هایی را تشکیل می‌دهند که هر کدام شامل فرزندان تنها یک سلول است، یعنی. تمام سلول های یک کلنی حامل پلاسمید یکسان هستند (شکل 5 را ببینید).

انتخاب

در مرحله بعد، وظیفه این است که تنها سلول هایی را جدا کنیم که بردار با درج وارد آنها شده است و آنها را از سلول هایی که فقط حامل بردار بدون درج هستند یا اصلا حامل بردار نیستند متمایز شوند. این فرآیند انتخاب سلول های مناسب نامیده می شود انتخاب. برای این، درخواست کنید نشانگرهای انتخابی- معمولا ژن های مقاومت آنتی بیوتیکی در ناقل، و رسانه انتخابیحاوی آنتی بیوتیک یا سایر مواد انتخابی.

در مثالی که در نظر می گیریم، سلول های کلنی های رشد یافته در حضور آمپی سیلین در دو محیط کشت می شوند: اولی حاوی آمپی سیلین و دومی حاوی تتراسایکلین. کلنی هایی که فقط حاوی پلاسمید هستند در هر دو محیط رشد می کنند، در حالی که کلنی های حاوی DNA کروموزومی درج شده در پلاسمیدها روی محیط با تتراسایکلین رشد نمی کنند (شکل 5). از میان آنها، آنهایی که حاوی ژن مورد علاقه ما هستند با روشهای خاصی انتخاب می شوند، به مقدار کافی رشد می کنند و DNA پلاسمید جدا می شود. از آن، با استفاده از همان محدودیت هایی که برای به دست آوردن DNA نوترکیب استفاده شد، ژن فردی مورد نظر بریده می شود. از DNA این ژن می توان برای تعیین توالی نوکلئوتیدها، وارد کردن به هر موجود زنده برای به دست آوردن خواص جدید یا سنتز پروتئین مورد نظر استفاده کرد. این روش جداسازی ژن نامیده می شود شبیه سازی مولکولی.

پروتئین های فلورسنت

استفاده از پروتئین های فلورسنت به عنوان ژن های نشانگر در مطالعات موجودات یوکاریوتی بسیار راحت است. ژن اولین پروتئین فلورسنت، پروتئین فلورسنت سبز (GFP)از چتر دریایی Aqeuorea victoria جدا شد و به موجودات مدل مختلف معرفی شد (شکل 6 را ببینید). در سال 2008، O. Shimomura، M. Chalfi و R. Tsien جایزه نوبل را برای کشف و کاربرد این پروتئین دریافت کردند.

سپس ژن های دیگر پروتئین های فلورسنت - قرمز، آبی، زرد - جدا شدند. این ژن‌ها به‌طور مصنوعی برای تولید پروتئین‌ها اصلاح شده‌اند خواص مورد نظر. تنوع پروتئین های فلورسنت در شکل نشان داده شده است. 7، که یک ظرف پتری با باکتری های حاوی ژن پروتئین های فلورسنت مختلف را نشان می دهد.

استفاده از پروتئین های فلورسنت

ژن پروتئین فلورسنت را می توان با ژن هر پروتئین دیگری ادغام کرد، سپس در حین ترجمه یک پروتئین واحد تشکیل می شود - یک پروتئین همجوشی ترجمه ای، یا ذوب(پروتئین فیوژن)، که فلورسانس می کند. بنابراین، می توان به عنوان مثال، محل (محل) هر پروتئین مورد علاقه در سلول، حرکت آنها را مطالعه کرد. با استفاده از بیان پروتئین‌های فلورسنت فقط در انواع خاصی از سلول‌ها، می‌توان سلول‌هایی از این نوع را در یک ارگانیسم چند سلولی علامت‌گذاری کرد (شکل 8 را ببینید - مغز موش، که در آن سلول‌های عصبی منفرد دارند. رنگهای متفاوتبه دلیل ترکیب خاصی از ژن های پروتئین فلورسنت). پروتئین های فلورسنت ابزاری ضروری در زیست شناسی مولکولی مدرن هستند.

PCR

روش دیگری برای به دست آوردن ژن نامیده می شود واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR). این بر اساس توانایی DNA پلیمرازها برای تکمیل رشته دوم DNA در امتداد رشته مکمل است، همانطور که در سلول ها در طول همانندسازی DNA رخ می دهد.

منشا همانندسازی در این روش توسط دو قطعه کوچک DNA به نام داده می شود دانه،یا آغازگرها. این آغازگرها مکمل انتهای ژن مورد نظر در دو رشته DNA هستند. ابتدا DNA کروموزومی که قرار است ژن از آن جدا شود با دانه ها مخلوط شده و تا دمای 99 درجه سانتیگراد گرم می شود. این منجر به شکستن پیوندهای هیدروژنی و واگرایی رشته های DNA می شود. پس از آن، دما به 50-70 در حدود C کاهش می یابد (بسته به طول و توالی دانه ها). تحت این شرایط، پرایمرها به نواحی مکمل DNA کروموزومی متصل می شوند و یک مارپیچ دوگانه منظم را تشکیل می دهند (شکل 9 را ببینید). پس از آن، مخلوطی از هر چهار نوکلئوتید مورد نیاز برای سنتز DNA و DNA پلیمراز اضافه می شود. آنزیم با ساختن DNA دو رشته ای از محل اتصال پرایمرها، پرایمرها را طویل می کند. از انتهای یک ژن تا انتهای یک مولکول کروموزوم تک رشته ای.

اگر مخلوط اکنون دوباره گرم شود، زنجیره های کروموزومی و تازه سنتز شده پراکنده می شوند. پس از سرد شدن، دانه ها دوباره به آنها می پیوندند که به مقدار زیاد گرفته می شوند (شکل 10 را ببینید).

در زنجیره های تازه سنتز شده، آنها نه به انتهایی که اولین سنتز از آنجا شروع شد، بلکه به نقطه مقابل می پیوندند، زیرا زنجیره های DNA ضد موازی هستند. بنابراین، در چرخه دوم سنتز، تنها توالی مربوط به ژن روی چنین زنجیره‌هایی تکمیل می‌شود (شکل 11 را ببینید).

در این روش از DNA پلیمراز از باکتری های گرمادوست استفاده می شود که می تواند در برابر جوشیدن مقاومت کند و در دمای 70-80 درجه سانتیگراد عمل می کند، نیازی به افزودن هر بار نیست، اما کافی است در ابتدای آزمایش آن را اضافه کنید. با تکرار مراحل گرمایش و سرمایش در یک توالی، می‌توانیم تعداد توالی‌ها را در هر چرخه دو برابر کنیم، که در هر دو انتها توسط دانه‌های معرفی‌شده محدود شده‌اند (شکل 12 را ببینید).

پس از حدود 25 چرخه از این قبیل، تعداد نسخه های ژن بیش از یک میلیون برابر افزایش می یابد. چنین مقادیری را می توان به راحتی از DNA کروموزومی وارد شده به لوله آزمایش جدا کرد و برای اهداف مختلف استفاده کرد.

توالی یابی DNA

دستاورد مهم دیگر توسعه روش هایی برای تعیین توالی نوکلئوتیدها در DNA است - توالی یابی DNA(از انگلیسی sequence - sequence). برای این کار لازم است با استفاده از یکی از روش های توصیف شده، ژن های خالص از DNA دیگر به دست آید. سپس زنجیره‌های DNA با حرارت دادن از هم جدا می‌شوند و یک پرایمر نشاندار شده با فسفر رادیواکتیو یا یک برچسب فلورسنت به آنها اضافه می‌شود. لطفا توجه داشته باشید که یک دانه گرفته می شود، مکمل یک زنجیره. سپس DNA پلیمراز و مخلوطی از 4 نوکلئوتید اضافه می شود. چنین مخلوطی به 4 قسمت تقسیم می شود و یکی از نوکلئوتیدها به هر کدام اضافه می شود و طوری اصلاح می شود که حاوی گروه هیدروکسیل روی اتم سوم دئوکسی ریبوز نباشد. اگر چنین نوکلئوتیدی در زنجیره DNA سنتز شده گنجانده شود، طویل شدن آن نمی تواند ادامه یابد، زیرا پلیمراز جایی برای اتصال نوکلئوتید بعدی نخواهد داشت. بنابراین، سنتز DNA پس از گنجاندن چنین نوکلئوتیدی قطع می شود. این نوکلئوتیدها که دی اکسی نوکلئوتید نامیده می شوند بسیار کمتر از حد معمول اضافه می شوند، بنابراین خاتمه زنجیره فقط گاهی اوقات و در هر زنجیره در مکان های مختلف اتفاق می افتد. نتیجه مخلوطی از زنجیر است طول های مختلف، در انتهای هر یک از آنها همان نوکلئوتید وجود دارد. بنابراین، طول زنجیره مربوط به عدد نوکلئوتید در توالی مورد مطالعه است، به عنوان مثال، اگر یک آدنیل دی اکسی نوکلئوتید داشتیم و زنجیره های حاصل 2، 7 و 12 نوکلئوتید بودند، آدنین در موقعیت های دوم، هفتم و دوازدهم ژن قرار داشت. مخلوط زنجیر به دست آمده را می توان به راحتی با استفاده از الکتروفورز بر اساس اندازه جدا کرد و زنجیره های سنتز شده را می توان با رادیواکتیویته روی فیلم اشعه ایکس شناسایی کرد (شکل 10 را ببینید).

به نظر می رسد تصویر نشان داده شده در پایین تصویر، به نام رادیو اتوگراف. با حرکت در امتداد آن از پایین به بالا و خواندن حرف بالای ستون های هر زون، دنباله نوکلئوتیدی نشان داده شده در شکل سمت راست خودکار را دریافت می کنیم. معلوم شد که سنتز نه تنها توسط دی اکسی نوکلئوتیدها، بلکه توسط نوکلئوتیدهایی که در آنها برخی از گروه های شیمیایی، به عنوان مثال، یک رنگ فلورسنت، به موقعیت سوم قند متصل است، متوقف می شود. اگر هر نوکلئوتید با رنگ خاص خود برچسب گذاری شود، آنگاه مناطق به دست آمده از جداسازی زنجیره های سنتز شده با نور متفاوتی می درخشند. این امر امکان انجام واکنش را در یک لوله آزمایش به طور همزمان برای همه نوکلئوتیدها و با جدا کردن زنجیره های حاصل از نظر طول، شناسایی نوکلئوتیدها بر اساس رنگ را ممکن می کند (شکل 11 را ببینید).

چنین روش هایی امکان تعیین توالی نه تنها ژن های منفرد، بلکه خواندن کل ژنوم ها را فراهم می کند. روش‌های سریع‌تری برای تعیین توالی‌های نوکلئوتیدی در ژن‌ها در حال حاضر توسعه یافته‌اند. اگر اولین ژنوم انسان توسط یک کنسرسیوم بزرگ بین المللی با استفاده از روش اول در 12 سال رمزگشایی شد، دوم با استفاده از روش دوم، در عرض سه سال، اکنون می توان این کار را در یک ماه انجام داد. این به شما امکان می دهد استعداد فرد را برای بسیاری از بیماری ها پیش بینی کنید و از قبل اقداماتی را برای جلوگیری از آنها انجام دهید.

کتاب کمیک برای مسابقه "bio/mol/text": امروز، لوله آزمایش زیست شناس مولکولی شما را در دنیای علم شگفت انگیز - زیست شناسی مولکولی راهنمایی می کند! ما با یک گشت و گذار تاریخی در مراحل توسعه آن شروع می کنیم، اکتشافات و آزمایشات اصلی را از سال 1933 شرح می دهیم. و همچنین روش های اصلی زیست شناسی مولکولی را به وضوح شرح خواهیم داد که امکان دستکاری ژن ها، تغییر و جداسازی آنها را فراهم می کند. ظهور این روش ها به عنوان انگیزه ای قوی برای توسعه زیست شناسی مولکولی عمل کرد. و همچنین نقش بیوتکنولوژی را به یاد بیاوریم و یکی از محبوب ترین موضوعات در این زمینه - ویرایش ژنوم با استفاده از سیستم های CRISPR/Cas را لمس کنیم.

اسپانسر کل مسابقه و شریک نامزدی Skoltech است.

حامی این مسابقه شرکت Diaem است: بزرگترین تامین کننده تجهیزات، معرف ها و مواد مصرفی برای تحقیقات و تولید بیولوژیکی.

این شرکت حامی جایزه انتخاب مخاطبان بود.

اسپانسر "کتاب" مسابقه - "غیرداستانی آلپینا"

1. معرفی. ماهیت زیست شناسی مولکولی

اصول فعالیت حیاتی موجودات را در سطح ماکرومولکول ها مطالعه می کند. هدف زیست شناسی مولکولی تعیین نقش و مکانیسم های عملکرد این درشت مولکول ها بر اساس دانش در مورد ساختار و خواص آنها است.

از نظر تاریخی، زیست شناسی مولکولی در طول توسعه مناطقی از بیوشیمی که اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها را مطالعه می کنند، شکل گرفت. در حالی که بیوشیمی مطالعه متابولیسم است، ترکیب شیمیاییسلول های زنده، موجودات و فرآیندهای شیمیایی انجام شده در آنها، زیست شناسی مولکولی بر مطالعه مکانیسم های انتقال، تولید مثل و ذخیره سازی اطلاعات ژنتیکی تمرکز دارد.

و موضوع مطالعه زیست شناسی مولکولی خود اسیدهای نوکلئیک - دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA)، ریبونوکلئیک (RNA) - و پروتئین ها و همچنین مجتمع های درشت مولکولی آنها - کروموزوم ها، ریبوزوم ها، سیستم های چند آنزیمی است که بیوسنتز پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک را فراهم می کند. زیست شناسی مولکولیهمچنین با موضوعات تحقیق مرز دارد و تا حدی با ژنتیک مولکولی، ویروس شناسی، بیوشیمی و تعدادی دیگر از علوم زیستی مرتبط منطبق است.

2. گشت و گذار تاریخی در مراحل توسعه زیست شناسی مولکولی

به عنوان یک حوزه جداگانه از بیوشیمی، زیست شناسی مولکولی در دهه 30 قرن گذشته شروع به توسعه کرد. حتی در آن زمان، برای مطالعه فرآیندهای انتقال و ذخیره اطلاعات ژنتیکی، درک پدیده حیات در سطح مولکولی ضروری شد. درست در آن زمان، وظیفه زیست شناسی مولکولی در مطالعه خواص، ساختار و تعامل پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک ایجاد شد.

اصطلاح "زیست شناسی مولکولی" برای اولین بار در 1933 سال ویلیام استبری در طول مطالعه پروتئین های فیبریلار (کلاژن، فیبرین خون، پروتئین های ماهیچه ای انقباضی). استبری رابطه بین ساختار مولکولی و خصوصیات بیولوژیکی و فیزیکی این پروتئین ها را مطالعه کرد. در ابتدای پیدایش زیست شناسی مولکولی، RNA تنها جزء گیاهان و قارچ ها و DNA - فقط حیوانات در نظر گرفته می شد. و در 1935 کشف DNA نخود توسط آندری بلوزرسکی منجر به اثبات این واقعیت شد که DNA در هر سلول زنده وجود دارد.

که در 1940 یک دستاورد عظیم، ایجاد رابطه علی بین ژن ها و پروتئین ها توسط جورج بیدل و ادوارد تاتهام بود. فرضیه دانشمندان "یک ژن - یک آنزیم" اساس این مفهوم را تشکیل داد که ساختار خاص یک پروتئین توسط ژن ها تنظیم می شود. اعتقاد بر این است که اطلاعات ژنتیکی توسط توالی خاصی از نوکلئوتیدها در DNA کدگذاری می شود که ساختار اولیه پروتئین ها را تنظیم می کند. بعداً ثابت شد که بسیاری از پروتئین ها ساختار چهارتایی دارند. زنجیره های پپتیدی مختلف در تشکیل چنین ساختارهایی شرکت می کنند. بر این اساس، مقررات مربوط به رابطه بین یک ژن و یک آنزیم تا حدودی دگرگون شده است و اکنون به نظر می رسد "یک ژن - یک پلی پپتید".

که در 1944 در سال 1999، زیست‌شناس آمریکایی اسوالد اوری و همکارانش (کالین مک‌لئود و مک‌لین مک‌کارتی) ثابت کردند که ماده‌ای که باعث تغییر شکل باکتری‌ها می‌شود، DNA است، نه پروتئین. این آزمایش به عنوان اثبات نقش DNA در انتقال اطلاعات ارثی، از دانش منسوخ در مورد ماهیت پروتئینی ژن ها استفاده کرد.

در اوایل دهه 1950، فردریک سانگر نشان داد که یک زنجیره پروتئینی یک توالی منحصر به فرد از باقی مانده اسیدهای آمینه است. که در 1951 و 1952 سال ها، دانشمند توالی کامل دو زنجیره پلی پپتیدی - انسولین گاوی را تعیین کرد که در(30 باقی مانده اسید آمینه) و آ(به ترتیب 21 باقی مانده اسید آمینه).

تقریباً در همان زمان، در 1951–1953 اروین چارگاف قوانینی را برای نسبت بازهای نیتروژنی در DNA فرموله کرد. طبق قانون، صرف نظر از تفاوت گونه ای موجودات زنده در DNA آنها، مقدار آدنین (A) برابر با مقدار تیمین (T) و مقدار گوانین (G) برابر با مقدار سیتوزین (C) است.

که در 1953 نقش ژنتیکی DNA را ثابت کرد. جیمز واتسون و فرانسیس کریک، بر اساس پرتو ایکس DNA به دست آمده توسط روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز، ساختار فضایی DNA را ایجاد کردند و یک فرضیه تایید شده بعدی در مورد مکانیسم تکثیر آن (دوبرابر شدن)، که زمینه ساز وراثت است، مطرح کردند.

1958 سال - شکل گیری جزم اصلی زیست شناسی مولکولی توسط فرانسیس کریک: انتقال اطلاعات ژنتیکی در جهت DNA → RNA → پروتئین انجام می شود.

ماهیت جزم این است که در سلول ها یک جریان مستقیم اطلاعات از DNA وجود دارد که به نوبه خود متن ژنتیکی اصلی است که از چهار حرف A، T، G و C تشکیل شده است. در مارپیچ دوگانه DNA به شکل دنباله هایی از این حروف - نوکلئوتیدها نوشته شده است.

این متن در حال رونویسی است. و فرآیند نامیده می شود رونویسی. در طی این فرآیند، RNA سنتز می شود که با متن ژنتیکی یکسان است، اما با یک تفاوت: در RNA، به جای T، U (اوراسیل) وجود دارد.

این RNA نامیده می شود RNA پیام رسان (mRNA)، یا ماتریس (mRNA). پخش mRNA با استفاده از کد ژنتیکی به شکل توالی های سه گانه نوکلئوتیدها انجام می شود. در طی این فرآیند، متن اسیدهای نوکلئیک DNA و RNA از یک متن چهار حرفی به متن بیست حرفی اسیدهای آمینه ترجمه می شود.

فقط بیست اسید آمینه طبیعی وجود دارد و در متن اسیدهای نوکلئیک چهار حرف وجود دارد. به همین دلیل، ترجمه ای از الفبای چهار حرفی به الفبای بیست حرفی از طریق کد ژنتیکی وجود دارد که در آن هر سه نوکلئوتید مربوط به یک اسید آمینه است. بنابراین شما می توانید 64 ترکیب سه حرفی کامل از چهار حرف بسازید، علاوه بر این، 20 اسید آمینه وجود دارد. با این حال، در آن زمان کد ژنتیکی شناخته نشده بود، علاوه بر این، حتی شروع به رمزگشایی نکرده بود، اما کریک قبلاً جزم اصلی خود را فرموله کرده بود.

با این وجود، این اطمینان وجود داشت که کد باید وجود داشته باشد. تا آن زمان، ثابت شده بود که این کد دارای یک کاراکتر سه گانه است. این بدان معنی است که به طور خاص سه حرف در اسیدهای نوکلئیک ( کدون ها) با هر اسید آمینه مطابقت دارد. 64 عدد از این کدون ها وجود دارد که 20 اسید آمینه را کد می کنند. این بدان معنی است که هر اسید آمینه به طور همزمان با چندین کدون مطابقت دارد.

بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که دگم مرکزی فرضیه‌ای است که می‌گوید یک جریان هدایت شده اطلاعات در سلول رخ می‌دهد: DNA → RNA → پروتئین. کریک بر محتوای اصلی دگم مرکزی تأکید کرد: یک جریان معکوس اطلاعات نمی تواند رخ دهد، یک پروتئین قادر به تغییر اطلاعات ژنتیکی نیست.

این معنای اصلی دگم مرکزی است: یک پروتئین قادر به تغییر و تبدیل اطلاعات به DNA (یا RNA) نیست، جریان همیشه فقط در یک جهت می رود.

مدتی پس از این، آنزیم جدیدی کشف شد که در زمان فرمول بندی جزم مرکزی شناخته شده نبود، - ترانس کریپتاز معکوسکه DNA را از RNA سنتز می کند. این آنزیم در ویروس ها کشف شد که در آن اطلاعات ژنتیکی در RNA رمزگذاری می شود نه DNA. به این گونه ویروس ها رترو ویروس می گویند. آنها یک کپسول ویروسی با RNA محصور در آن و یک آنزیم خاص دارند. این آنزیم یک ترانس کریپتاز معکوس است که DNA را مطابق با الگوی این RNA ویروسی سنتز می کند و سپس این DNA به عنوان ماده ژنتیکی برای توسعه بیشتر ویروس در سلول عمل می کند.

البته، این کشف باعث شوک بزرگ و جنجال های زیادی در بین زیست شناسان مولکولی شد، زیرا اعتقاد بر این بود که بر اساس جزم مرکزی، این نمی تواند باشد. با این حال، کریک بلافاصله توضیح داد که او هرگز نگفته است که غیرممکن است. او فقط گفت که هرگز نمی‌توان جریانی از اطلاعات از پروتئین به اسیدهای نوکلئیک داشت، و در حال حاضر هر نوع فرآیندی در داخل اسیدهای نوکلئیک امکان‌پذیر است: سنتز DNA روی DNA، DNA روی RNA، RNA روی DNA و RNA روی RNA.

پس از فرمول بندی دگم مرکزی، تعدادی سوال همچنان باقی بود: الفبای چهار نوکلئوتید که DNA (یا RNA) را تشکیل می دهند، الفبای 20 حرفی اسیدهای آمینه را که پروتئین ها را می سازند، رمزگذاری می کند؟ ماهیت کد ژنتیکی چیست؟

اولین ایده در مورد وجود کد ژنتیکی توسط الکساندر داونز فرموله شد. 1952 د) و گئورگی گاموف ( 1954 G.). دانشمندان نشان داده اند که توالی نوکلئوتیدها باید حداقل شامل سه پیوند باشد. بعداً ثابت شد که چنین دنباله ای از سه نوکلئوتید تشکیل شده است که به آنها می گویند کدون (سه قلو). با این حال، این سوال که کدام نوکلئوتیدها مسئول ترکیب کدام اسید آمینه در یک مولکول پروتئین هستند تا سال 1961 باز ماند.

و در 1961 مارشال نیرنبرگ به همراه هاینریش ماتی از این سیستم برای پخش استفاده کردند درونکشتگاهی. یک الیگونوکلئوتید به عنوان یک الگو استفاده شد. این فقط حاوی بقایای اوراسیل بود و پپتید سنتز شده از آن فقط حاوی اسید آمینه فنیل آلانین بود. بنابراین، معنای کدون ابتدا مشخص شد: کدون UUU برای فنیل آلانین کد می کند. بعدها، هار قرآن دریافت که توالی نوکلئوتیدی UCUCUCUCUCUC مجموعه ای از اسیدهای آمینه سرین-لوسین-سرین-لوسین را رمزگذاری می کند. به طور کلی، به لطف آثار نیرنبرگ و قرآن، به 1965 سال، کد ژنتیکی به طور کامل کشف شد. معلوم شد که هر سه قلو یک اسید آمینه خاص را رمزگذاری می کند. و ترتیب کدون ها ترتیب اسیدهای آمینه پروتئین را تعیین می کند.

اصول اصلی عملکرد پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک تا ابتدای دهه 70 فرموله شد. مشخص شد که سنتز پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک بر اساس مکانیسم ماتریکس انجام می شود. مولکول الگو حاوی اطلاعات رمزگذاری شده در مورد توالی اسیدهای آمینه یا نوکلئوتیدها است. در حین تکثیر یا رونویسی، الگو DNA و در هنگام ترجمه و رونویسی معکوس، mRNA است.

بنابراین، پیش نیازهای شکل گیری حوزه های زیست شناسی مولکولی، از جمله مهندسی ژنتیک، ایجاد شد. و در سال 1972، پل برگ و همکارانش فناوری شبیه سازی مولکولی را توسعه دادند. دانشمندان اولین DNA نوترکیب را به دست آوردند درونکشتگاهی. این اکتشافات برجسته اساس یک جهت جدید در زیست شناسی مولکولی را تشکیل دادند و 1972 سال از آن زمان به عنوان تاریخ تولد مهندسی ژنتیک در نظر گرفته شده است.

3. روش های زیست شناسی مولکولی

پیشرفت های عظیم در مطالعه اسیدهای نوکلئیک، ساختار DNA و بیوسنتز پروتئین منجر به ایجاد تعدادی از روش های بسیار مهم در پزشکی، کشاورزی و علم به طور کلی شده است.

پس از مطالعه کد ژنتیکی و اصول اولیه ذخیره سازی، انتقال و اجرای اطلاعات ارثی، روش های خاصی برای توسعه بیشتر زیست شناسی مولکولی ضروری شد. این روش ها امکان دستکاری، تغییر و جداسازی ژن ها را فراهم می کند.

ظهور چنین روش هایی در دهه 1970 و 1980 رخ داد. این امر انگیزه زیادی به توسعه زیست شناسی مولکولی داد. اول از همه، این روش ها ارتباط مستقیمی با تولید ژن ها و ورود آنها به سلول های موجودات دیگر و همچنین امکان تعیین توالی نوکلئوتیدی در ژن ها دارند.

3.1. الکتروفورز DNA

الکتروفورز DNAروش اصلی کار با DNA است. الکتروفورز DNA در کنار تقریباً تمام روش های دیگر برای جداسازی مولکول های مورد نظر و تجزیه و تحلیل بیشتر نتایج استفاده می شود. خود روش الکتروفورز ژل برای جداسازی قطعات DNA بر اساس طول استفاده می شود.

قبل یا بعد از الکتروفورز، ژل با رنگ هایی که می توانند به DNA متصل شوند، درمان می شود. رنگها در نور ماوراء بنفش فلورسنت می کنند و در نتیجه الگویی از نوارها در ژل ایجاد می شود. برای تعیین طول قطعات DNA می توان آنها را با هم مقایسه کرد نشانگرها- مجموعه ای از قطعات با طول استاندارد، که به همان ژل اعمال می شود.

پروتئین های فلورسنت

هنگام مطالعه موجودات یوکاریوتی، استفاده از پروتئین های فلورسنت به عنوان ژن های نشانگر راحت است. ژن اولین پروتئین فلورسنت سبز ( پروتئین فلورسنت سبز، GFP) جدا شده از چتر دریایی Aqeuorea ویکتوریاو سپس وارد موجودات مختلف می شود. پس از آن، ژن های پروتئین های فلورسنت از رنگ های دیگر جدا شد: آبی، زرد، قرمز. برای به دست آوردن پروتئین هایی با ویژگی های مورد علاقه، چنین ژن هایی به طور مصنوعی اصلاح شده اند.

به طور کلی، مهم ترین ابزار برای کار با مولکول DNA آنزیم هایی هستند که تعدادی از تبدیل های DNA را در سلول ها انجام می دهند: DNA پلیمراز, لیگازهای DNAو محدود می کند (اندونوکلئازهای محدود کننده).

تراریخته

تراریختهبه آن انتقال ژن از موجودی به موجود دیگر می گویند. چنین موجوداتی نامیده می شوند تراریخته.

آماده سازی پروتئین نوترکیب فقط با انتقال ژن ها به سلول های میکروارگانیسم به دست می آید. بیشتر این پروتئین ها هستند اینترفرون ها, انسولین، برخی هورمون های پروتئینی و همچنین پروتئین هایی برای تولید تعدادی واکسن.

در موارد دیگر از کشت سلولی یوکاریوت ها یا حیوانات تراریخته که عمدتاً دام هستند استفاده می شود که پروتئین های لازم را در شیر ترشح می کنند. به این ترتیب آنتی بادی ها، فاکتورهای انعقاد خون و سایر پروتئین ها به دست می آید. از روش تراریخت برای به دست آوردن محصولات مقاوم به آفات و علف کش ها استفاده می شود و فاضلاب با کمک میکروارگانیسم های تراریخته تصفیه می شود.

علاوه بر همه موارد فوق، فناوری های تراریخته در تحقیقات علمی ضروری هستند، زیرا توسعه زیست شناسی با استفاده از روش های اصلاح و انتقال ژن سریعتر است.

محدود می کند

توالی هایی که توسط آنزیم های محدود کننده شناسایی می شوند متقارن هستند، بنابراین هر نوع شکستی می تواند یا در وسط چنین توالی یا با تغییر در یک یا هر دو رشته مولکول DNA رخ دهد.

هنگام تقسیم هر DNA با یک آنزیم محدود کننده، توالی در انتهای قطعات یکسان خواهد بود. آنها می توانند دوباره متصل شوند زیرا سایت های مکمل دارند.

با استفاده از دوخت این توالی ها می توانید یک مولکول واحد بدست آورید لیگازهای DNA. به همین دلیل می توان قطعات دو DNA مختلف را با هم ترکیب کرد و DNA نوترکیب را به دست آورد.

3.2. PCR

این روش مبتنی بر توانایی DNA پلیمرازها برای تکمیل رشته دوم DNA در امتداد رشته مکمل به همان روشی است که در فرآیند همانندسازی DNA در یک سلول انجام می شود.

3.3. توالی یابی DNA

توسعه سریع روش توالی یابی، تعیین موثر ویژگی های ارگانیسم مورد مطالعه در سطح ژنوم آن را ممکن می سازد. مزیت اصلی چنین فناوری های ژنومی و پسا ژنومی افزایش فرصت های تحقیق و مطالعه است. ماهیت ژنتیکیبیماری های انسانی، به منظور پیش گرفتن اقدامات لازمو از بیماری دوری کنید

از طریق تحقیقات گسترده، می توان اطلاعات لازم را در مورد ویژگی های ژنتیکی مختلف گروه های مختلف مردم به دست آورد و از این طریق روش های پزشکی را توسعه داد. به همین دلیل، امروزه شناسایی استعداد ژنتیکی برای بیماری های مختلف بسیار رایج است.

روش های مشابه به طور گسترده در سراسر جهان از جمله در روسیه قابل استفاده است. با توجه به پیشرفت های علمی، چنین روش هایی در تحقیقات پزشکی وارد می شوند و عمل پزشکیبطور کلی.

4. بیوتکنولوژی

بیوتکنولوژی- رشته ای که امکان استفاده از موجودات زنده یا سیستم های آنها را برای حل مشکلات تکنولوژیکی و همچنین ایجاد موجودات زنده با خواص مطلوب از طریق مهندسی ژنتیک مطالعه می کند. بیوتکنولوژی از روش های شیمی، میکروبیولوژی، بیوشیمی و البته زیست شناسی مولکولی استفاده می کند.

جهت های اصلی توسعه بیوتکنولوژی (اصول فرآیندهای بیوتکنولوژیکی در تولید همه صنایع وارد می شود):

1. ایجاد و تولید انواع جدید غذا و خوراک دام.
2. به دست آوردن و مطالعه سویه های جدید میکروارگانیسم ها.
3. پرورش انواع جدید گیاهان و همچنین ایجاد وسایلی برای محافظت از گیاهان از بیماری ها و آفات.
4. کاربرد روش های بیوتکنولوژی برای نیازهای اکولوژی. چنین روش های بیوتکنولوژی برای بازیافت زباله، تمیز کردن استفاده می شود فاضلاب، هوای خروجی و بهداشت خاک.
5. تولید ویتامین ها، هورمون ها، آنزیم ها، سرم های مورد نیاز دارو. بیوتکنولوژیست ها در حال پیشرفت هستند داروهاقبلا غیر قابل درمان تلقی می شد.

یک دستاورد بزرگ در بیوتکنولوژی مهندسی ژنتیک است.

مهندسی ژنتیک- مجموعه ای از فن آوری ها و روش ها برای به دست آوردن مولکول های RNA و DNA نوترکیب، جداسازی ژن های فردی از سلول ها، دستکاری ژن ها و معرفی آنها به موجودات دیگر (باکتری ها، مخمرها، پستانداران). چنین موجوداتی قادر به تولید محصولات نهایی با خواص مطلوب و اصلاح شده هستند.

هدف روش‌های مهندسی ژنتیک، ساخت ترکیب‌های جدید ژن‌هایی است که قبلاً وجود نداشتند.

وقتی در مورد دستاوردهای مهندسی ژنتیک صحبت می کنیم، غیرممکن است که به موضوع شبیه سازی دست نزنیم. شبیه سازییکی از روش های بیوتکنولوژی است که برای به دست آوردن فرزندان یکسان ارگانیسم های مختلف از طریق تولید مثل غیرجنسی استفاده می شود.

به عبارت دیگر، شبیه سازی را می توان به عنوان فرآیند ایجاد نسخه های ژنتیکی یکسان از یک موجود زنده یا سلول در نظر گرفت. و موجودات شبیه سازی شده نه تنها از نظر ویژگی های خارجی، بلکه از نظر محتوای ژنتیکی مشابه یا کاملاً یکسان هستند.

گوسفند بدنام دالی در سال 1966 به اولین پستاندار شبیه سازی شده تبدیل شد. با پیوند هسته یک سلول سوماتیک به سیتوپلاسم تخمک به دست آمد. دالی یک کپی ژنتیکی از گوسفند اهداکننده هسته بود. در شرایط طبیعی، یک فرد از یک تخمک بارور شده تشکیل می شود که نیمی از مواد ژنتیکی را از دو والدین دریافت کرده است. با این حال، در طول شبیه سازی، مواد ژنتیکی از سلول یک فرد گرفته شد. ابتدا هسته ای که حاوی خود DNA است از زیگوت خارج شد. سپس هسته را از سلول گوسفند بالغ خارج کردند و بدون هسته در آن زیگوت کاشتند و سپس به رحم یک فرد بالغ پیوند زدند و اجازه رشد و تکامل دادند.

با این حال، همه تلاش های شبیه سازی موفقیت آمیز نبوده اند. به موازات شبیه سازی دالی، آزمایش جایگزینی DNA روی 273 تخم دیگر انجام شد. اما فقط در یک مورد یک حیوان بالغ زنده می تواند به طور کامل رشد کند و رشد کند. پس از دالی، دانشمندان سعی کردند انواع دیگری از پستانداران را شبیه سازی کنند.

یکی از انواع مهندسی ژنتیک است ویرایش ژنوم

ابزار CRISPR/Cas بر اساس عنصری از سیستم دفاعی ایمنی باکتری‌ها است که دانشمندان آن را برای ایجاد هرگونه تغییر در DNA حیوانات یا گیاهان تطبیق داده‌اند.

CRISPR/Cas یکی از روش های بیوتکنولوژیکی برای دستکاری ژن های فردی در سلول ها است. کاربردهای زیادی برای این فناوری وجود دارد. CRISPR/Cas به محققان اجازه می دهد تا عملکرد ژن های مختلف را کشف کنند. برای انجام این کار، فقط باید ژن مورد مطالعه را از DNA جدا کنید و بررسی کنید که کدام عملکرد بدن تحت تأثیر قرار گرفته است.

برخی از کاربردهای عملی سیستم:

1. کشاورزی.از طریق سیستم های CRISPR/Cas می توان محصولات را بهبود بخشید. یعنی آنها را خوشمزه تر و مغذی تر و همچنین در برابر گرما مقاوم کند. می توان به گیاهان خواص دیگری نیز داد: به عنوان مثال، یک ژن آلرژن را از آجیل (بادام زمینی یا فندق) جدا کنید.
2. دارو، بیماری های ارثی.هدف دانشمندان این است که از CRISPR/Cas برای حذف جهش‌هایی از ژنوم انسان که می‌توانند باعث بیماری‌هایی مانند کم خونی سلول داسی شکل و غیره شوند، استفاده کنند. در تئوری، CRISPR/Cas می‌تواند جلوی توسعه HIV را بگیرد.
3. درایو ژن. CRISPR/Cas نه تنها می‌تواند ژنوم یک حیوان یا گیاه را تغییر دهد، بلکه مخزن ژنی یک گونه را نیز تغییر می‌دهد. این مفهوم به عنوان شناخته شده است "محرک ژن". هر موجود زنده ای نیمی از ژن های خود را به فرزندان خود منتقل می کند. اما استفاده از CRISPR/Cas می تواند شانس انتقال ژن را تا 100 درصد افزایش دهد. این امر به منظور گسترش سریعتر صفت مورد نظر در سراسر جمعیت مهم است.

دانشمندان سوئیسی روش ویرایش ژنوم CRISPR/Cas را به طور قابل توجهی بهبود داده و مدرن کرده اند و در نتیجه قابلیت های آن را گسترش داده اند. با این حال، دانشمندان تنها توانستند یک ژن را در یک زمان با استفاده از سیستم CRISPR/Cas اصلاح کنند. اما اکنون محققان ETH زوریخ روشی را ابداع کرده اند که می تواند به طور همزمان ۲۵ ژن را در یک سلول تغییر دهد.

برای آخرین تکنیک، متخصصان از آنزیم Cas12a استفاده کردند. متخصصان ژنتیک برای اولین بار در تاریخ موفق به شبیه سازی میمون ها شدند. "مکانیک محبوب";

نیکولنکو اس (2012). ژنومیکس: بیان مسئله و روش های توالی یابی. "پساعلم".

زیست شناسی مولکولی دوره ای از توسعه سریع روش های تحقیقاتی خود را تجربه کرده است که اکنون با بیوشیمی متفاوت است. اینها به طور خاص شامل روش های مهندسی ژنتیک، شبیه سازی، بیان مصنوعی و حذف ژن هستند. از آنجایی که DNA حامل مادی اطلاعات ژنتیکی است، زیست‌شناسی مولکولی بسیار به ژنتیک نزدیک‌تر شده است و ژنتیک مولکولی در محل اتصال شکل می‌گیرد که هم بخشی از ژنتیک و هم زیست‌شناسی مولکولی است. همانطور که زیست شناسی مولکولی از ویروس ها به عنوان ابزار تحقیقاتی استفاده گسترده می کند، ویروس شناسی نیز از روش های زیست شناسی مولکولی برای حل مشکلات خود استفاده می کند. فناوری رایانه در تجزیه و تحلیل اطلاعات ژنتیکی دخالت دارد که در ارتباط با آن زمینه های جدیدی از ژنتیک مولکولی ظاهر شده است که گاهی اوقات رشته های خاصی در نظر گرفته می شود: بیوانفورماتیک، ژنومیک و پروتئومیکس.

تاریخ توسعه

این کشف مهم با یک مرحله طولانی از تحقیقات در زمینه ژنتیک و بیوشیمی ویروس ها و باکتری ها تهیه شد.

در سال 1928، فردریک گریفیث برای اولین بار نشان داد که عصاره ای از باکتری های بیماری زا که در اثر حرارت کشته می شوند می تواند ویژگی بیماری زایی را به باکتری های خوش خیم منتقل کند. مطالعه تبدیل باکتری بیشتر منجر به خالص سازی عامل بیماری شد که بر خلاف انتظارات معلوم شد که پروتئین نیست، بلکه یک اسید نوکلئیک است. اسید نوکلئیک به خودی خود خطرناک نیست، بلکه تنها حامل ژن هایی است که بیماری زایی و سایر خواص میکروارگانیسم را تعیین می کند.

در دهه 50 قرن بیستم، نشان داده شد که باکتری ها یک فرآیند جنسی اولیه دارند، آنها قادر به تبادل DNA خارج کروموزومی، پلاسمیدها هستند. کشف پلاسمیدها و همچنین دگرگونی ها، اساس فناوری پلاسمید رایج در زیست شناسی مولکولی را تشکیل داد. کشف مهم دیگر برای روش شناسی، کشف ویروس های باکتریایی، باکتریوفاژها در آغاز قرن بیستم بود. فاژها همچنین می توانند مواد ژنتیکی را از یک سلول باکتری به سلول دیگر منتقل کنند. عفونت باکتری توسط فاژها منجر به تغییر در ترکیب RNA باکتری می شود. اگر بدون فاژها، ترکیب RNA مشابه ترکیب DNA باکتری باشد، پس از عفونت، RNA بیشتر شبیه DNA باکتریوفاژ می شود. بنابراین، مشخص شد که ساختار RNA توسط ساختار DNA تعیین می شود. به نوبه خود، سرعت سنتز پروتئین در سلول ها به مقدار کمپلکس های RNA-پروتئین بستگی دارد. اینگونه فرموله شد جزم اصلی زیست شناسی مولکولی: DNA ↔ RNA → پروتئین.

توسعه بیشتر زیست شناسی مولکولی هم با توسعه روش شناسی آن، به ویژه اختراع روشی برای تعیین توالی نوکلئوتیدی DNA (W. Gilbert و F. Sanger، جایزه نوبل شیمی 1980) و هم با اکتشافات جدید در زمینه تحقیق در مورد ساختار و عملکرد ژن ها همراه بود (به تاریخچه ژنتیک مراجعه کنید). با آغاز قرن بیست و یکم، داده هایی در مورد ساختار اولیه تمام DNA انسان و تعدادی از موجودات دیگر، که مهمترین آنها برای پزشکی هستند، به دست آمد. کشاورزیو تحقیقات علمی، که منجر به ظهور چندین حوزه جدید در زیست شناسی شد: ژنومیک، بیوانفورماتیک و غیره.

همچنین ببینید

• زیست شناسی مولکولی (مجله)
• رونویسی
• دیرینه شناسی مولکولی
• EMBO - سازمان اروپایی زیست شناسی مولکولی

ادبیات

• خواننده ام.، برگ پی.ژن ها و ژنوم ها. - مسکو، 1998.
• استنت جی.، کالیندار آر.ژنتیک مولکولی. - مسکو، 1981.
• سامبروک جی.، فریچ ای.اف.، مانیاتیس تی.شبیه سازی مولکولی - 1989.
• پاتروشف L.I.بیان ژن ها - M.: Nauka، 2000. - 000 p., ill. شابک 5-02-001890-2

پیوندها

بنیاد ویکی مدیا 2010 .

• منطقه آرداتوفسکی در منطقه نیژنی نووگورود
• منطقه آرزاماس در منطقه نیژنی نووگورود

ببینید "زیست شناسی مولکولی" در فرهنگ های دیگر چیست:

زیست شناسی مولکولی- اصول را مطالعه می کند. خواص و جلوه های زندگی در سطح مولکولی. مهم ترین جهت ها در M. b. مطالعاتی در مورد سازماندهی ساختاری و عملکردی دستگاه ژنتیکی سلول ها و مکانیسم اجرای اطلاعات ارثی است. فرهنگ لغت دایره المعارف زیستی

زیست شناسی مولکولی- خواص و مظاهر اساسی حیات را در سطح مولکولی بررسی می کند. درمی‌یابد که رشد و نمو موجودات، ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی، تبدیل انرژی در سلول‌های زنده و سایر پدیده‌ها چگونه و تا چه اندازه ناشی از ... فرهنگ لغت دایره المعارفی بزرگ

زیست شناسی مولکولی دایره المعارف مدرن

زیست شناسی مولکولی- زیست شناسی مولکولی، مطالعه بیولوژیکی ساختار و عملکرد مولکول هایی که موجودات زنده را تشکیل می دهند. زمینه های اصلی مطالعه فیزیکی و خواص شیمیاییپروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک مانند DNA. همچنین ببینید… … فرهنگ دانشنامه علمی و فنی

زیست شناسی مولکولی- بخشی از زیست، که ویژگی های اساسی و مظاهر حیات را در سطح مولکولی بررسی می کند. چگونگی و میزان رشد و نمو موجودات، ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی، تبدیل انرژی در سلول های زنده و ... را می یابد. فرهنگ لغت میکروبیولوژی

زیست شناسی مولکولی- - موضوعات بیوتکنولوژی EN بیولوژی مولکولی … کتابچه راهنمای مترجم فنی

زیست شناسی مولکولی- زیست شناسی مولکولی، ویژگی ها و مظاهر اساسی حیات را در سطح مولکولی بررسی می کند. چگونگی و میزان رشد و نمو موجودات، ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی، تبدیل انرژی در سلول های زنده و ... را می یابد. فرهنگ لغت دایره المعارف مصور

زیست شناسی مولکولی- علمی که با مطالعه اشیاء و منظومه های بیولوژیکی در سطحی نزدیک به سطح مولکولی و در برخی موارد رسیدن به این حد، شناخت ماهیت پدیده های زندگی را وظیفه خود قرار می دهد. هدف نهایی این…… دایره المعارف بزرگ شوروی

زیست شناسی مولکولی- پدیده های زندگی را در سطح ماکرومولکول ها (پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک) در ساختارهای بدون سلول (ریبوزوم ها و غیره)، در ویروس ها و همچنین در سلول ها مطالعه می کند. هدف م. تعیین نقش و مکانیسم عملکرد این درشت مولکول ها بر اساس ... ... دایره المعارف شیمی

زیست شناسی مولکولی- خواص و مظاهر اساسی حیات را در سطح مولکولی بررسی می کند. چگونگی و میزان رشد و نمو موجودات، ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی، تبدیل انرژی در سلول های زنده و سایر پدیده ها را پیدا می کند... فرهنگ لغت دایره المعارفی

کتاب ها

• زیست شناسی مولکولی سلول. کتاب مسئله، جی ویلسون، تی هانت. کتاب نویسندگان آمریکایی ضمیمه ویرایش دوم کتاب درسی "زیست شناسی مولکولی سلول" نوشته بی آلبرتز، دی. بری، جی لوئیس و دیگران است که شامل سوالات و وظایفی است که هدف از آن تعمیق ...

زیست شناسی مولکولی،علمی که با مطالعه اشیاء و منظومه های زیستی در سطحی نزدیک به سطح مولکولی و در برخی موارد رسیدن به این حد، شناخت ماهیت پدیده های زندگی را وظیفه خود قرار می دهد. هدف نهایی در این مورد این است که بفهمیم چگونه و تا چه حد تظاهرات مشخصه زندگی، مانند وراثت، تولیدمثل نوع خود، بیوسنتز پروتئین، تحریک پذیری، رشد و نمو، ذخیره و انتقال اطلاعات، تبدیل انرژی، تحرک و غیره توسط ساختار، خواص و برهمکنش مولکول‌های ماده اصلی بیولوژیکی، پروتئین‌های بیولوژیکی بالا تعیین می‌شوند. s و اسیدهای نوکلئیک ویژگی بارز M. b. - مطالعه پدیده های زندگی بر روی اشیاء بی جان یا آنهایی که با ابتدایی ترین جلوه های زندگی مشخص می شوند. اینها تشکیلات بیولوژیکی از سطح سلولی و پایین تر هستند: اندامک های درون سلولی، مانند هسته های سلولی جدا شده، میتوکندری ها، ریبوزوم ها، کروموزوم ها، غشای سلولی. علاوه بر این - سیستم هایی که در مرز طبیعت جاندار و بی جان قرار دارند - ویروس ها از جمله باکتریوفاژها و پایان دادن به مولکول ها اجزای حیاتیماده زنده - اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها.

پایه و اساس توسعه M. توسط علومی مانند ژنتیک، بیوشیمی، فیزیولوژی فرآیندهای ابتدایی و غیره گذاشته شد. با توجه به خاستگاه توسعه آن، M. b. به طور جدایی ناپذیری با ژنتیک مولکولی مرتبط است که همچنان بخش مهمی از آن است

ویژگی بارز M. b. سه بعدی بودن آن است. جوهر M. b. M. Perutz آن را در تفسیر توابع بیولوژیکی از نظر ساختار مولکولی می داند. MB. وظیفه خود را به دست آوردن پاسخ به سؤال "چگونه"، دانستن ماهیت نقش و مشارکت کل ساختار مولکول، و سوالات "چرا" و "برای چه"، از یک سو، با پی بردن به ارتباط بین خواص مولکول (دوباره، در درجه اول پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک) و عملکردهای کلی ویتامین ها و عملکردهای پیچیده در سایر ویتامین ها، و عملکردهای پیچیده در سایر ویتامین ها در آن مشخص می شود. فعالیت

مهمترین دستاوردهای زیست شناسی مولکولی.در اینجا لیست کاملی از این دستاوردها وجود ندارد: افشای ساختار و مکانیسم عملکرد بیولوژیکی DNA، انواع RNA و ریبوزوم ها، افشای کد ژنتیکی. کشف رونویسی معکوس، به عنوان مثال، سنتز DNA بر روی یک الگوی RNA؛ مطالعه مکانیسم های عملکرد رنگدانه های تنفسی؛ کشف ساختار سه بعدی و نقش عملکردی آن در عمل آنزیم ها، اصل سنتز ماتریکس و مکانیسم های بیوسنتز پروتئین. افشای ساختار ویروس ها و مکانیسم های تکثیر آنها، ساختار اولیه و تا حدی فضایی آنتی بادی ها. جداسازی ژن‌های فردی، سنتز ژن شیمیایی و سپس بیولوژیکی (آنزیمی)، از جمله انسان، خارج از سلول (در شرایط آزمایشگاهی). انتقال ژن از یک ارگانیسم به موجود دیگر، از جمله به سلول های انسانی؛ رمزگشایی سریع ساختار شیمیایی تعداد فزاینده ای از پروتئین های منفرد، عمدتا آنزیم ها، و همچنین اسیدهای نوکلئیک. کشف پدیده های "خودآرایی" برخی از اشیاء بیولوژیکی با پیچیدگی روزافزون، از مولکول های اسید نوکلئیک شروع می شود و به آنزیم های چند جزئی، ویروس ها، ریبوزوم ها و غیره می رسد. توضیح اصول آلوستریک و سایر اصول اساسی تنظیم عملکردها و فرآیندهای بیولوژیکی.

مسائل زیست شناسی مولکولی.همراه با وظایف مهم مشخص شده، M. (دانش قوانین "تشخیص"، خود مونتاژ و ادغام) جهت واقعی جستجوی علمی برای آینده نزدیک، توسعه روش هایی است که امکان رمزگشایی ساختار و سپس سازماندهی فضایی و سه بعدی اسیدهای نوکلئیک با مولکولی بالا را فراهم می کند. همه مهم ترین روش هایی که استفاده از آنها ظهور و موفقیت M.b را تضمین می کرد، توسط فیزیکدانان پیشنهاد و توسعه داده شد (اولتراسانتریفیوژ، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی، رزونانس مغناطیسی هسته ای و غیره). تقریباً تمام رویکردهای تجربی فیزیکی جدید (به عنوان مثال، استفاده از رایانه، سنکروترون، یا برمسترالونگ، تابش، فناوری لیزر، و غیره) فرصت‌های جدیدی را برای مطالعه عمیق مسائل M.b باز می‌کنند. از جمله مهمترین کارهایی که ماهیت عملی دارند، که پاسخ آن از M.b انتظار می رود، در وهله اول مشکل پایه مولکولی رشد بدخیم است، سپس - راه های پیشگیری و شاید غلبه بر بیماری های ارثی - "بیماری های مولکولی". روشن شدن اساس مولکولی کاتالیز بیولوژیکی، به عنوان مثال، عمل آنزیم ها از اهمیت زیادی برخوردار خواهد بود. از جمله مهمترین روندهای مدرن MB. باید شامل تمایل به رمزگشایی مکانیسم های عملکرد مولکولی هورمون ها، مواد سمی و دارویی و همچنین کشف جزئیات ساختار مولکولی و عملکرد چنین ساختارهای سلولی مانند غشاهای بیولوژیکی باشد که در تنظیم فرآیندهای نفوذ و حمل و نقل مواد دخیل هستند. اهداف دورتر M. b. - آگاهی از ماهیت فرآیندهای عصبی، مکانیسم های حافظه و غیره یکی از بخش های مهم نوظهور M. b. - باصطلاح. مهندسی ژنتیک، که وظیفه خود را عملیات هدفمند دستگاه ژنتیکی (ژنوم) موجودات زنده، شروع از میکروب ها و پایین تر (تک سلولی) و پایان دادن به انسان (در مورد دوم، در درجه اول به منظور درمان ریشه ای بیماری های ارثی و اصلاح نقایص ژنتیکی) تعیین می کند.

مهمترین مسیرهای MB:

- ژنتیک مولکولی - مطالعه سازمان ساختاری و عملکردی دستگاه ژنتیکی سلول و مکانیسم اجرای اطلاعات ارثی

– ویروس شناسی مولکولی – مطالعه مکانیسم های مولکولی برهمکنش ویروس ها با سلول ها

- ایمونولوژی مولکولی - مطالعه الگوهای واکنش های ایمنی بدن

- بیولوژی مولکولی رشد - مطالعه ظهور تنوع سلولی در روند رشد فردی ارگانیسم ها و تخصصی شدن سلول ها

اهداف اصلی تحقیق: ویروس ها (از جمله باکتریوفاژها)، سلول ها و ساختارهای درون سلولی، ماکرومولکول ها، ارگانیسم های چند سلولی.