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

Napredak u proučavanju nukleinskih kiselina i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velike praktične važnosti u medicini, poljoprivredi i nizu drugih industrija.

Nakon proučavanja genetskog koda i temeljnih principa pohranjivanja i implementacije nasljednih informacija, razvoj molekularne biologije je stao, jer nije bilo metoda koje su omogućavale manipuliranje genima, njihovu izolaciju i promjenu. Pojava ovih metoda dogodila se 1970-1980-ih. To je dalo snažan poticaj razvoju ovog područja znanosti koje i danas cvjeta. Prije svega, radi se o metodama dobivanja pojedinačnih gena i njihovom unošenju u stanice drugih organizama (molekularno kloniranje i transgeneza, PCR), kao i metodama za određivanje sekvence nukleotida u genima (DNA i RNA sekvenciranje). O ovim metodama će se detaljnije raspravljati u nastavku. Počet ćemo s najjednostavnijom osnovnom metodom, elektroforezom, a zatim prijeći na složenije metode.

ELEKTROFOREZA DNA

To je osnovna metoda rada s DNK, koja se uz gotovo sve druge metode koristi za izolaciju željenih molekula i analizu rezultata. Gel elektroforeza se koristi za razdvajanje fragmenata DNK po duljini. DNA je kiselina, njezine molekule sadrže ostatke fosforne kiseline, koji se odvajaju od protona i dobivaju negativan naboj (slika 1).

Stoga, u električno polje Molekule DNA kreću se prema anodi – pozitivno nabijenoj elektrodi. To se događa u otopini elektrolita koja sadrži ione nositelje naboja, zbog kojih ova otopina provodi struju. Za odvajanje fragmenata koristi se gusti gel od polimera (agaroza ili poliakrilamid). Molekule DNK se u nju više "zapliću", što su duže, pa se stoga najduže molekule kreću najsporije, a najkraće - najbrže (slika 2). Prije ili nakon elektroforeze gel se tretira bojama koje se vežu za DNA i fluoresciraju na ultraljubičastom svjetlu te se dobije uzorak traka u gelu (vidi sliku 3). Da bi se odredile duljine fragmenata DNA u uzorku, oni se uspoređuju s markerom, tj. skupom fragmenata standardnih duljina paralelno položenih na isti gel (slika 4).

Najvažniji alati za rad s DNA su enzimi koji provode DNA transformacije u živim stanicama: DNA polimeraze, DNA ligaze i restrikcijske endonukleaze, odnosno restrikcijski enzimi. DNA polimeraza Provodi se sinteza DNK predloška, što omogućuje razmnožavanje DNK u epruveti. DNA ligaze sašiti molekule DNK zajedno ili zaliječiti praznine u njima. Restrikcijske endonukleaze, ili restriktaze, režu molekule DNA prema strogo definiranim sekvencama, što vam omogućuje izrezivanje pojedinačnih fragmenata iz ukupne mase DNA. Ti fragmenti mogu u nekim slučajevima sadržavati pojedinačne gene.

restriktaze

Sekvence koje restrikcijski enzimi prepoznaju su simetrične, a lomovi se mogu dogoditi u sredini takve sekvence ili s pomakom (na istom mjestu u oba lanca DNA). Shema djelovanja različiti tipovi restriktaza je prikazana na sl. 1. U prvom slučaju dobivaju se takozvani "tupi" krajevi, au drugom - "ljepljivi" krajevi. U slučaju "ljepljivih" krajeva dna, lanac je kraći od drugog, formira se jednolančani dio sa simetričnim nizom koji je isti na oba formirana kraja.

Završne sekvence bit će iste kada se bilo koja DNK cijepa s danim restrikcijskim enzimom i mogu se ponovno spojiti jer imaju komplementarne sekvence. Mogu se vezati s DNA ligazom kako bi se stvorila jedna molekula. Tako je moguće spojiti fragmente dviju različitih DNK i dobiti tzv rekombinantna DNA. Ovaj pristup se koristi u metodi molekularnog kloniranja, koja omogućuje dobivanje pojedinačnih gena i njihovo uvođenje u stanice koje mogu tvoriti protein kodiran u genu.

molekularno kloniranje

Molekularno kloniranje koristi dvije molekule DNK - umetak koji sadrži gen od interesa i vektor- DNK koja djeluje kao prijenosnik. Umetak se uz pomoć enzima "ušije" u vektor, čime se dobije nova, rekombinantna molekula DNA, zatim se ta molekula unosi u stanice domaćina, a te stanice stvaraju kolonije na hranjivoj podlozi. Kolonija je potomak jedne stanice, tj. klon, sve stanice kolonije su genetski identične i sadrže istu rekombinantnu DNA. Otuda i izraz "molekularno kloniranje", odnosno dobivanje klona stanica koje sadrže fragment DNA koji nas zanima. Nakon što su dobivene kolonije koje sadrže umetak koji nas zanima, možemo razne metode za karakterizaciju ovog umetanja, na primjer, za određivanje njegovog točnog slijeda. Stanice također mogu proizvesti protein kodiran umetkom ako sadrži funkcionalni gen.

Kada se rekombinantna molekula uvede u stanice, dolazi do genetske transformacije tih stanica. Transformacija- proces apsorpcije stanice organizma slobodne molekule DNA iz okoline i njezine integracije u genom, što dovodi do pojave u takvoj stanici novih nasljednih svojstava za nju, karakterističnih za organizam-donator DNA. . Na primjer, ako umetnuta molekula sadrži gen za otpornost na antibiotik ampicilin, tada će transformirane bakterije rasti u njegovoj prisutnosti. Prije transformacije ampicilin je uzrokovao njihovu smrt, odnosno u transformiranim stanicama javlja se novi znak.

VEKTORI

Vektor mora imati niz svojstava:

Prvo, to je relativno mala molekula DNK kojom se lako može manipulirati.

Drugo, da bi se DNA očuvala i reproducirala u stanici, ona mora sadržavati određeni slijed koji osigurava njezinu replikaciju (original replikacije, odnosno ishodište replikacije).

Treće, mora sadržavati marker gen, koji osigurava odabir samo onih stanica u koje je vektor ušao. Obično su to geni otporni na antibiotike – tada u prisutnosti antibiotika umiru sve stanice koje ne sadrže vektor.

Kloniranje gena najčešće se provodi u bakterijskim stanicama jer se one lako uzgajaju i brzo se razmnožavaju. U bakterijskoj stanici obično postoji jedna velika kružna molekula DNA, duga nekoliko milijuna parova baza, koja sadrži sve gene potrebne bakterijama – bakterijski kromosom. Osim nje, u nekim bakterijama postoji mala (nekoliko tisuća parova baza) kružna DNA, tzv. plazmidi(slika 2). Oni, poput glavne DNA, sadrže nukleotidni niz koji osigurava sposobnost replikacije DNA (ori). Plazmidi se repliciraju neovisno o glavnoj (kromosomskoj) DNA, stoga su u stanici prisutni u velikom broju kopija. Mnogi od ovih plazmida nose gene otpornosti na antibiotike, što omogućuje razlikovanje stanica koje nose plazmid od normalnih stanica. Češće se koriste plazmidi koji nose dva gena koji daju otpornost na dva antibiotika, kao što su tetraciklin i amicilin. Postoje jednostavne metode za izolaciju takve plazmidne DNA slobodne od DNA glavnog kromosoma bakterije.

ZNAČAJ TRANSGENEZE

Prijenos gena iz jednog organizma u drugi naziva se transgeneza, i slično modificirani organizmi - transgenski. Metodom prijenosa gena u mikrobne stanice dobivaju se rekombinantni proteinski pripravci za medicinu, posebice ljudski proteini koji ne izazivaju imunološko odbacivanje - interferoni, inzulin i drugi proteinski hormoni, faktori rasta stanica, kao i proteini za proizvodnju cjepiva. U složenijim slučajevima, kada se modifikacija proteina ispravno provodi samo u eukariotskim stanicama, koriste se transgene stanične kulture ili transgene životinje, posebice stoka (prvenstveno koze), koja izlučuje potrebne proteine u mlijeko ili se proteini izoliraju iz njihove krvi. . Tako se dobivaju antitijela, faktori zgrušavanja krvi i druge bjelančevine. Metodom transgeneze dobivaju se kultivirane biljke koje su otporne na herbicide i štetnike te imaju druge korisna svojstva. Koristeći transgene mikroorganizme za pročišćavanje otpadnih voda i borbu protiv onečišćenja, postoje čak i transgeni mikrobi koji mogu razgraditi naftu. Osim toga, transgene tehnologije nezamjenjive su u znanstvenim istraživanjima – razvoj biologije danas je nezamisliv bez rutinske primjene metoda modifikacije i prijenosa gena.

tehnologija molekularnog kloniranja

umetci

Da bi se dobio pojedinačni gen iz bilo kojeg organizma, sva kromosomska DNA se izolira iz njega i cijepa s jednim ili dva restrikcijska enzima. Enzimi su odabrani tako da ne režu gen koji nas zanima, već prave prekide po njegovim rubovima, au plazmidnoj DNK naprave jedan prekid u nekom od gena za rezistenciju, na primjer, na ampicilin.

Proces molekularnog kloniranja uključuje sljedeće korake:

Cut and stitch - konstrukcija jedne rekombinantne molekule iz umetka i vektora.

Transformacija je uvođenje rekombinantne molekule u stanice.

Odabir - odabir ćelija koje su primile vektor s umetkom.

rezanje i šivanje

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

Dobiva se mješavina kružnih DNA različitog sastava: neke od njih će sadržavati određeni DNA slijed kromosomske DNA povezane s bakterijskom DNA, druge će sadržavati spojene fragmente kromosomske DNA, a treće će sadržavati reducirani kružni plazmid ili njegov dimer. (slika 4).

transformacija

Zatim se ova smjesa izvodi genetska transformacija bakterije koje ne sadrže plazmide. Transformacija- proces apsorpcije stanice organizma slobodne molekule DNA iz okoline i njezine integracije u genom, što dovodi do pojave u takvoj stanici novih nasljednih svojstava za nju, karakterističnih za organizam-donator DNA. . Samo jedan plazmid može ući i razmnožavati se u svakoj stanici. Takve se stanice stavljaju na čvrsti hranjivi medij koji sadrži antibiotik tetraciklin. Stanice koje nisu dobile plazmid neće rasti na ovoj podlozi, a stanice koje nose plazmid formiraju kolonije od kojih svaka sadrži potomke samo jedne stanice, tj. sve stanice u koloniji nose isti plazmid (vidi sliku 5).

Izbor

Zatim, zadatak je izolirati samo stanice u koje je ušao vektor s umetkom i razlikovati ih od stanica koje nose samo vektor bez umetka ili uopće ne nose vektor. Ovaj proces odabira pravih stanica naziva se izbor. Za ovo se prijavite selektivni markeri- obično geni otporni na antibiotike u vektoru, i selektivni mediji koji sadrže antibiotike ili druge selektivne tvari.

U primjeru koji razmatramo, stanice iz kolonija uzgojenih u prisutnosti ampicilina supkultivirane su na dva medija: prvi sadrži ampicilin, a drugi sadrži tetraciklin. Kolonije koje sadrže samo plazmid će rasti na oba medija, dok kolonije koje sadrže umetnutu kromosomsku DNA u plazmide neće rasti na mediju s tetraciklinom (slika 5). Među njima se posebnim metodama odabiru oni koji sadrže gen koji nas zanima, uzgajaju se u dovoljnim količinama i izolira se plazmidna DNA. Iz njega se, koristeći iste restriktaze koje su korištene za dobivanje rekombinantne DNA, izrezuje pojedinačni gen od interesa. DNK ovog gena može se koristiti za određivanje sekvence nukleotida, uvesti u bilo koji organizam za dobivanje novih svojstava ili sintetizirati željeni protein. Ova metoda izolacije gena naziva se molekularno kloniranje.

FLUORESCENTNI PROTEINI

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

Zatim su izolirani geni za druge fluorescentne proteine - crveni, plavi, žuti. Ovi geni su umjetno modificirani za proizvodnju proteina željena svojstva. Raznolikost fluorescentnih proteina prikazana je na sl. 7, koja prikazuje petrijevu zdjelicu s bakterijama koje sadrže gene za razne fluorescentne proteine.

primjena fluorescentnih proteina

Gen fluorescentnog proteina može se spojiti s genom bilo kojeg drugog proteina, tada će tijekom translacije nastati jedan protein - translacijski fuzijski protein, ili fuzija(fuzijski protein), koji fluorescira. Tako je moguće proučavati, na primjer, lokalizaciju (položaj) bilo kojeg proteina od interesa u stanici, njihovo kretanje. Koristeći ekspresiju fluorescentnih proteina samo u određenim vrstama stanica, moguće je označiti stanice tih vrsta u višestaničnom organizmu (vidi sliku 8 - mišji mozak, u kojem pojedini neuroni imaju različite boje zbog određene kombinacije gena fluorescentnih proteina). Fluorescentni proteini su nezamjenjiv alat u modernoj molekularnoj biologiji.

PCR

Druga metoda za dobivanje gena tzv lančana reakcija polimerazom (PCR). Temelji se na sposobnosti DNA polimeraza da dovrše drugi lanac DNA duž komplementarnog lanca, kao što se događa u stanicama tijekom replikacije DNA.

Početke replikacije u ovoj metodi daju dva mala dijela DNK tzv sjemenke, ili početnice. Ti su početnici komplementarni krajevima gena od interesa na dva lanca DNA. Najprije se kromosomska DNA iz koje se gen treba izolirati pomiješa sa sjemenkama i zagrije na 99 °C. To dovodi do kidanja vodikovih veza i divergencije DNK lanaca. Nakon toga temperatura se snižava na 50-70 o C (ovisno o dužini i redoslijedu sjemena). Pod tim uvjetima, početnice su pričvršćene na komplementarne regije kromosomske DNA, tvoreći pravilnu dvostruku spiralu (vidi sliku 9). Nakon toga se dodaje mješavina sva četiri nukleotida potrebna za sintezu DNA i DNA polimeraze. Enzim izdužuje početnice izgradnjom dvolančane DNA od mjesta vezivanja početnica, tj. od krajeva gena do kraja jednolančane molekule kromosoma.

Ako se smjesa sada ponovno zagrije, kromosomski i novosintetizirani lanci će se raspršiti. Nakon hlađenja ponovno će im se pridružiti sjemenke koje se uzimaju u velikom višku (vidi sliku 10).

Na novosintetiziranim lancima oni će se spojiti ne na kraj s kojeg je započela prva sinteza, već na suprotni, budući da su lanci DNA antiparalelni. Stoga će u drugom ciklusu sinteze samo sekvenca koja odgovara genu biti dovršena na takvim lancima (vidi sliku 11).

Ova metoda koristi DNA polimerazu iz termofilnih bakterija koja može podnijeti vrenje i djeluje na temperaturama od 70-80°C, nije je potrebno dodavati svaki put, već ju je dovoljno dodati na početku eksperimenta. Ponavljanjem postupaka zagrijavanja i hlađenja u istom nizu, možemo udvostručiti broj nizova u svakom ciklusu, ograničenih na oba kraja unesenim sjemenkama (vidi sliku 12).

Nakon otprilike 25 takvih ciklusa, broj kopija gena povećat će se više od milijun puta. Takve se količine mogu lako odvojiti od kromosomske DNA unesene u epruvetu i koristiti u razne svrhe.

Sekvenciranje DNA

Drugo važno postignuće je razvoj metoda za određivanje slijeda nukleotida u DNA - Sekvenciranje DNA(od engleskog slijeda - slijed). Za to je potrebno dobiti čiste gene iz druge DNK pomoću jedne od opisanih metoda. Potom se zagrijavanjem odvajaju lanci DNK i dodaje im se početnica obilježena radioaktivnim fosforom ili fluorescentna oznaka. Imajte na umu da se uzima jedno sjeme, komplementarno jednom lancu. Zatim se dodaje DNA polimeraza i smjesa od 4 nukleotida. Takva smjesa se podijeli na 4 dijela i svakom se doda po jedan od nukleotida, modificiran tako da ne sadrži hidroksilnu skupinu na trećem atomu deoksiriboze. Ako je takav nukleotid uključen u sintetizirani lanac DNA, tada se njegovo produljenje neće moći nastaviti, jer polimeraza neće imati kamo pričvrstiti sljedeći nukleotid. Stoga se sinteza DNA nakon uključivanja takvog nukleotida prekida. Ovih nukleotida, nazvanih dideoksinukleotidi, dodaje se znatno manje nego inače, pa do prekida lanca dolazi samo povremeno i to u svakom lancu na različitim mjestima. Rezultat je mješavina lanaca različite dužine, na kraju svakog od njih je isti nukleotid. Dakle, duljina lanca odgovara broju nukleotida u proučavanom nizu, na primjer, ako smo imali adenil dideoksinukleotid, a rezultirajući lanci su bili dugi 2, 7 i 12 nukleotida, tada je adenin bio na drugom, sedmom i dvanaestom mjestu u gen. Dobivena smjesa lanaca može se lako razdvojiti po veličini pomoću elektroforeze, a sintetizirani lanci mogu se identificirati radioaktivnošću na rendgenskom filmu (vidi sliku 10).

Ispada slika prikazana na dnu slike, nazvana radioautogram. Krećući se njime odozdo prema gore i čitajući slovo iznad stupaca svake zone, dobit ćemo niz nukleotida prikazan na slici desno od autograma. Pokazalo se da sintezu zaustavljaju ne samo dideoksinukleotidi, već i nukleotidi u kojima je neka kemijska skupina, na primjer, fluorescentna boja, vezana na treću poziciju šećera. Ako je svaki nukleotid obilježen svojom bojom, tada će zone dobivene odvajanjem sintetiziranih lanaca svijetliti drugačijim svjetlom. To omogućuje provođenje reakcije u jednoj epruveti istovremeno za sve nukleotide i, odvajanjem dobivenih lanaca po duljini, identificiranje nukleotida po boji (vidi sliku 11).

Takve su metode omogućile određivanje sekvenci ne samo pojedinačnih gena, već i čitanje cijelih genoma. Sada su razvijene još brže metode za određivanje sekvenci nukleotida u genima. Ako je prvi ljudski genom veliki međunarodni konzorcij dešifrirao prvom zadanom metodom za 12 godina, drugi, drugom, za tri godine, sada se to može učiniti za mjesec dana. To vam omogućuje da predvidite predispoziciju osobe za mnoge bolesti i unaprijed poduzmete mjere kako biste ih izbjegli.

Strip za nagradni natječaj "bio/mol/tekst": Danas će vas epruveta molekularnog biologa voditi kroz svijet nevjerojatne znanosti - molekularne biologije! Započet ćemo s povijesnim izletom kroz faze njegova razvoja, opisat ćemo glavna otkrića i pokuse od 1933. godine. Također ćemo jasno opisati glavne metode molekularne biologije, koje su omogućile manipuliranje genima, njihovu promjenu i izolaciju. Pojava ovih metoda poslužila je kao snažan poticaj razvoju molekularne biologije. A prisjetimo se i uloge biotehnologije i dotaknimo se jedne od najpopularnijih tema u ovom području – uređivanja genoma pomoću CRISPR/Cas sustava.

Generalni sponzor natjecanja i partner nominacije Skoltech je .

Sponzor natjecanja je tvrtka Diaem: najveći dobavljač opreme, reagensa i potrošnog materijala za biološka istraživanja i proizvodnju.

Tvrtka je sponzorirala nagradu publike.

“Book” pokrovitelj natječaja – “Alpina non-fiction”

1. Uvod. Bit molekularne biologije

Proučava osnove vitalne aktivnosti organizama na razini makromolekula. Cilj molekularne biologije je utvrditi ulogu i mehanizme funkcioniranja ovih makromolekula na temelju spoznaja o njihovoj strukturi i svojstvima.

Povijesno gledano, molekularna biologija nastala je tijekom razvoja područja biokemije koja proučavaju nukleinske kiseline i proteine. Dok je biokemija proučavanje metabolizma, kemijski sastavživih stanica, organizama i kemijskih procesa koji se u njima odvijaju, molekularna biologija usmjerena je na proučavanje mehanizama prijenosa, reprodukcije i pohranjivanja genetskih informacija.

A predmet proučavanja molekularne biologije su same nukleinske kiseline - deoksiribonukleinska (DNA), ribonukleinska (RNA) - i proteini, kao i njihovi makromolekularni kompleksi - kromosomi, ribosomi, multienzimski sustavi koji osiguravaju biosintezu proteina i nukleinskih kiselina. Molekularna biologija također graniči s predmetima istraživanja i djelomično se poklapa s molekularnom genetikom, virologijom, biokemijom i nizom drugih srodnih bioloških znanosti.

2. Povijesni izlet kroz faze razvoja molekularne biologije

Kao zasebno područje biokemije, molekularna biologija počela se razvijati 30-ih godina prošlog stoljeća. Već tada je postalo nužno razumjeti fenomen života na molekularnoj razini kako bi se proučavali procesi prijenosa i pohranjivanja genetskih informacija. Upravo u to vrijeme postavljena je zadaća molekularne biologije u proučavanju svojstava, strukture i međudjelovanja proteina i nukleinskih kiselina.

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

U 1940 Kolosalno postignuće bilo je to što su George Beadle i Edward Tatham ustanovili uzročnu vezu između gena i proteina. Hipoteza znanstvenika "Jedan gen - jedan enzim" bila je osnova za koncept da specifičnu strukturu proteina reguliraju geni. Vjeruje se da su genetske informacije kodirane posebnim nizom nukleotida u DNK koji regulira primarnu strukturu proteina. Kasnije je dokazano da mnogi proteini imaju kvaternarnu strukturu. U formiranju takvih struktura sudjeluju različiti peptidni lanci. Na temelju toga, odredba o odnosu između gena i enzima donekle je transformirana i sada zvuči kao "Jedan gen - jedan polipeptid".

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

Početkom 1950-ih, Frederick Sanger je pokazao da je proteinski lanac jedinstveni niz aminokiselinskih ostataka. U 1951 I 1952 godine znanstvenik je utvrdio kompletan slijed dva polipeptidna lanca – goveđi inzulin U(30 aminokiselinskih ostataka) i A(21 aminokiselinski ostatak).

Otprilike u isto vrijeme, u 1951–1953 Erwin Chargaff formulirao je pravila za omjer dušičnih baza u DNA. Prema pravilu, bez obzira na vrsnu razliku živih organizama u njihovoj DNA, količina adenina (A) jednaka je količini timina (T), a količina gvanina (G) jednaka je količini citozina. (C).

U 1953 dokazao genetsku ulogu DNK. James Watson i Francis Crick, na temelju rendgenske snimke DNK koju su dobili Rosalind Franklin i Maurice Wilkins, utvrdili su prostornu strukturu DNK i iznijeli kasnije potvrđenu pretpostavku o mehanizmu njezine replikacije (udvostručavanja), koji je u osnovi nasljeđa.

1958 godine - formiranje središnje dogme molekularne biologije Francisa Cricka: prijenos genetske informacije ide u smjeru DNA → RNA → protein.

Bit dogme je da u stanicama postoji određeni usmjereni protok informacija iz DNK, koja je, pak, izvorni genetski tekst, koji se sastoji od četiri slova: A, T, G i C. Zapisan je u DNK dvostruka spirala u obliku nizova tih slova – nukleotida.

Ovaj tekst se prepisuje. I proces se zove transkripcija. Tijekom tog procesa sintetizira se RNK, koja je identična genetskom tekstu, ali s razlikom: u RNK se umjesto T nalazi U (uracil).

Ova RNK se zove messenger RNA (mRNA), ili matrica (mRNA). Emitiranje mRNA se provodi korištenjem genetskog koda u obliku tripletnih sekvenci nukleotida. Tijekom ovog procesa, tekst DNA i RNA nukleinskih kiselina se prevodi iz teksta od četiri slova u tekst od dvadeset slova aminokiselina.

Prirodnih aminokiselina je samo dvadesetak, au tekstu nukleinskih kiselina postoje četiri slova. Zbog toga postoji prijevod s abecede od četiri slova na abecedu od dvadeset slova kroz genetski kod, u kojem svaka tri nukleotida odgovaraju aminokiselini. Dakle, od četiri slova možete napraviti cijele 64 troslovne kombinacije, štoviše, aminokiselina je 20. Iz ovoga proizlazi da genetski kod nužno mora imati svojstvo degeneriranosti. Međutim, u to vrijeme genetski kod nije bio poznat, osim toga, nije se ni počeo dešifrirati, ali Crick je već formulirao svoju središnju dogmu.

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

Dakle, možemo zaključiti da je središnja dogma postulat koji kaže da se u stanici događa usmjeren protok informacija: DNA → RNA → protein. Crick je naglasio glavni sadržaj središnje dogme: ne može se dogoditi obrnuti protok informacija, protein nije sposoban promijeniti genetsku informaciju.

To je glavno značenje središnje dogme: protein nije u stanju promijeniti i transformirati informaciju u DNA (ili RNA), tok uvijek ide samo u jednom smjeru.

Neko vrijeme nakon toga, otkriven je novi enzim, koji nije bio poznat u vrijeme formulacije središnje dogme, - reverzna transkriptaza koji sintetizira DNA iz RNA. Enzim je otkriven u virusima, u kojima je genetska informacija kodirana u RNK, a ne DNK. Takvi virusi nazivaju se retrovirusi. Imaju virusnu kapsulu u kojoj je zatvorena RNK i poseban enzim. Enzim je reverzna transkriptaza koja sintetizira DNA prema uzorku ove virusne RNA, a ta DNA zatim služi kao genetski materijal za daljnji razvoj virusa u stanici.

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

Nakon formuliranja središnje dogme, ostala su brojna pitanja: kako abeceda od četiri nukleotida koji čine DNK (ili RNK) kodira abecedu od 20 slova aminokiselina koje čine proteine? Što je bit genetskog koda?

Prve ideje o postojanju genetskog koda formulirao je Alexander Downes ( 1952 d.) i Georgij Gamov ( 1954 G.). Znanstvenici su pokazali da sekvenca nukleotida mora sadržavati najmanje tri veze. Kasnije je dokazano da se takav niz sastoji od tri nukleotida, tzv kodon (trojka). Međutim, pitanje koji su nukleotidi odgovorni za ugradnju koje aminokiseline u proteinsku molekulu ostalo je otvoreno sve do 1961. godine.

I u 1961 Marshall Nirenberg, zajedno s Heinrichom Matteijem, koristio je sustav za emitiranje in vitro. Oligonukleotid je korišten kao kalup. Sadržavao je samo ostatke uracila, a peptid sintetiziran iz njega uključivao je samo aminokiselinu fenilalanin. Tako je prvo utvrđeno značenje kodona: kodon UUU kodira fenilalanin. Kasnije je Har Qur'an otkrio da nukleotidna sekvenca UCUCUCUCUCUC kodira skup aminokiselina serin-leucin-serin-leucin. Uglavnom, zahvaljujući djelima Nirenberga i Kuranu, to 1965 godine, genetski kod je potpuno razotkriven. Ispostavilo se da svaki triplet kodira određenu aminokiselinu. A redoslijed kodona određuje redoslijed aminokiselina u proteinu.

Glavna načela funkcioniranja proteina i nukleinskih kiselina formulirana su početkom 70-ih godina. Utvrđeno je da se sinteza proteina i nukleinskih kiselina odvija prema matričnom mehanizmu. Predloška molekula nosi kodiranu informaciju o slijedu aminokiselina ili nukleotida. Tijekom replikacije ili transkripcije predložak je DNA, a tijekom translacije i obrnute transkripcije to je mRNA.

Time su stvoreni preduvjeti za formiranje područja molekularne biologije, uključujući genetičko inženjerstvo. A 1972. Paul Berg i kolege razvili su tehnologiju molekularnog kloniranja. Znanstvenici su dobili prvu rekombinantnu DNK in vitro. Ova izvanredna otkrića stvorila su osnovu novog smjera u molekularnoj biologiji, i 1972 godina se od tada smatra datumom rođenja genetskog inženjeringa.

3. Metode molekularne biologije

Ogroman napredak u proučavanju nukleinskih kiselina, strukture DNK i biosinteze proteina doveo je do stvaranja niza metoda od velike važnosti u medicini, poljoprivredi i znanosti općenito.

Nakon proučavanja genetskog koda i temeljnih principa pohranjivanja, prijenosa i implementacije nasljednih informacija, za daljnji razvoj molekularne biologije postale su potrebne posebne metode. Te bi metode omogućile manipulaciju genima, njihovu promjenu i izolaciju.

Pojava takvih metoda dogodila se 1970-ih i 1980-ih. To je dalo veliki poticaj razvoju molekularne biologije. Prije svega, ove su metode izravno povezane s proizvodnjom gena i njihovim uvođenjem u stanice drugih organizama, kao i s mogućnošću određivanja slijeda nukleotida u genima.

3.1. DNA elektroforeza

DNA elektroforeza je osnovna metoda rada s DNK. DNA elektroforeza se koristi uz gotovo sve druge metode za izolaciju željenih molekula i daljnju analizu rezultata. Sama metoda gel elektroforeze koristi se za razdvajanje fragmenata DNA po duljini.

Prije ili nakon elektroforeze, gel se tretira bojama koje se mogu vezati na DNK. Boje fluoresciraju na ultraljubičastom svjetlu, što rezultira uzorkom traka u gelu. Da bi se odredila duljina fragmenata DNA, oni se mogu usporediti s oznake- setovi fragmenata standardnih duljina, koji se nanose na isti gel.

Fluorescentni proteini

Pri proučavanju eukariotskih organizama prikladno je koristiti fluorescentne proteine kao markerske gene. Gen za prvi zeleni fluorescentni protein ( zeleni fluorescentni protein, GFP) izoliran iz meduza Aqeuorea victoria a zatim se unose u razne organizme. Nakon toga izolirani su geni za fluorescentne proteine drugih boja: plave, žute, crvene. Da bi se dobili proteini sa svojstvima od interesa, takvi geni su umjetno modificirani.

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

transgeneza

transgeneza To se zove prijenos gena iz jednog organizma u drugi. Takvi se organizmi nazivaju transgenski.

Rekombinantni proteinski pripravci upravo se dobivaju prijenosom gena u stanice mikroorganizama. Većina tih proteina je interferoni, inzulin, neki proteinski hormoni, kao i proteini za proizvodnju niza cjepiva.

U drugim slučajevima koriste se kulture stanica eukariota ili transgenih životinja, uglavnom stoke, koje izlučuju potrebne bjelančevine u mlijeko. Na taj način se dobivaju antitijela, faktori zgrušavanja krvi i druge bjelančevine. Metodom transgeneze dobivaju se usjevi otporni na štetnike i herbicide, a otpadne vode pročišćavaju se uz pomoć transgenih mikroorganizama.

Uz sve navedeno, transgene tehnologije nezamjenjive su u znanstvenim istraživanjima, jer je razvoj biologije brži korištenjem metoda modifikacije i prijenosa gena.

Restriktaze

Sekvence koje restrikcijski enzimi prepoznaju su simetrične, pa se bilo kakvi prekidi mogu dogoditi bilo u sredini takve sekvence, bilo s pomakom u jednom ili oba lanca molekule DNA.

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

Možete dobiti jednu molekulu spajanjem ovih nizova pomoću DNA ligaze. Zbog toga je moguće kombinirati fragmente dviju različitih DNK i dobiti rekombinantnu DNK.

3.2. PCR

Metoda se temelji na sposobnosti DNA polimeraza da kompletiraju drugi lanac DNA duž komplementarnog lanca na isti način kao u procesu replikacije DNA u stanici.

3.3. Sekvenciranje DNA

Brz razvoj metode sekvenciranja omogućuje učinkovito određivanje karakteristika organizma koji se proučava na razini njegovog genoma. Glavna prednost takvih genomskih i postgenomskih tehnologija je povećanje istraživačkih i studijskih mogućnosti. genetske prirode ljudske bolesti, kako bi se pre-uzelo potrebne mjere i izbjeći bolest.

Opsežnim istraživanjem moguće je doći do potrebnih podataka o različitim genetskim karakteristikama različitih skupina ljudi, čime se razvijaju metode medicine. Zbog toga je danas vrlo popularna identifikacija genetske predispozicije za razne bolesti.

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

4. Biotehnologija

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

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

Stvaranje i proizvodnja novih vrsta hrane i stočne hrane.
Dobivanje i proučavanje novih sojeva mikroorganizama.
Oplemenjivanje novih sorti biljaka, kao i stvaranje sredstava za zaštitu biljaka od bolesti i štetnika.
Primjena biotehnoloških metoda za potrebe ekologije. Takve metode biotehnologije koriste se za recikliranje zbrinjavanja otpada, čišćenja Otpadne vode, ispušni zrak i sanitacija tla.
Proizvodnja vitamina, hormona, enzima, seruma za potrebe medicine. Biotehnolozi se sve više razvijaju lijekovi prije smatran neizlječivim.

Glavno dostignuće biotehnologije je genetski inženjering.

Genetski inženjering- skup tehnologija i metoda za dobivanje rekombinantnih molekula RNA i DNA, izolaciju pojedinih gena iz stanica, manipulaciju genima i njihovo uvođenje u druge organizme (bakterije, kvasci, sisavci). Takvi organizmi mogu proizvoditi konačne proizvode sa željenim, modificiranim svojstvima.

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

Govoreći o dostignućima genetskog inženjeringa, nemoguće je ne dotaknuti temu kloniranja. Kloniranje je jedna od metoda biotehnologije koja se koristi za dobivanje identičnog potomstva različitih organizama nespolnim razmnožavanjem.

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

Zloglasna ovca Dolly 1966. postala je prvi klonirani sisavac. Dobivena je presađivanjem jezgre somatske stanice u citoplazmu jajne stanice. Dolly je bila genetska kopija ovce donora jezgre. U prirodnim uvjetima, jedinka se formira iz jednog oplođenog jajašca, dobivši polovicu genetskog materijala od dva roditelja. Međutim, tijekom kloniranja genetski materijal uzet je iz stanice jedne jedinke. Prvo je iz zigote uklonjena jezgra, koja sadrži samu DNK. Zatim su iz stanice odrasle ovce uklonili jezgru i usadili je u tu zigotu bez jezgre, a potom je presađena u maternicu odrasle osobe i ostavljena da raste i razvija se.

Međutim, nisu svi pokušaji kloniranja bili uspješni. Paralelno s Dollynim kloniranjem, eksperiment zamjene DNK proveden je na 273 druga jajašca. Ali samo u jednom slučaju živa odrasla životinja mogla se potpuno razviti i rasti. Nakon Dolly, znanstvenici su pokušali klonirati i druge vrste sisavaca.

Jedna od vrsta genetskog inženjeringa je uređivanje genoma.

Alat CRISPR/Cas temelji se na elementu imunološkog obrambenog sustava bakterija, koji su znanstvenici prilagodili za uvođenje bilo kakvih promjena u DNK životinja ili biljaka.

CRISPR/Cas jedna je od biotehnoloških metoda za manipuliranje pojedinačnim genima u stanicama. Postoje mnoge primjene ove tehnologije. CRISPR/Cas omogućuje istraživačima da otkriju funkciju različitih gena. Da biste to učinili, samo trebate izrezati gen koji se proučava iz DNK i proučiti koje su funkcije tijela pogođene.

Neke praktične primjene sustava:

Poljoprivreda. Kroz CRISPR/Cas sustave usjevi se mogu poboljšati. Naime, kako bi bili ukusniji i hranjiviji te otporniji na toplinu. Moguće je biljkama dati druga svojstva: na primjer, iz orašastih plodova (kikirikija ili lješnjaka) izrezati gen alergena.
Medicina, nasljedne bolesti. Znanstvenici imaju cilj koristiti CRISPR/Cas za uklanjanje mutacija iz ljudskog genoma koje mogu uzrokovati bolesti, poput anemije srpastih stanica, itd. U teoriji, CRISPR/Cas može zaustaviti razvoj HIV-a.
Genski pogon. CRISPR/Cas može promijeniti ne samo genom pojedinačne životinje ili biljke, već i genetski fond vrste. Ovaj koncept je poznat kao "genski pogon". Svaki živi organizam prenosi polovicu svojih gena na svoje potomke. Ali korištenje CRISPR/Cas može povećati mogućnost prijenosa gena do 100%. Ovo je važno kako bi se željeno svojstvo brže proširilo kroz populaciju.

Švicarski znanstvenici značajno su unaprijedili i modernizirali metodu uređivanja genoma CRISPR/Cas, čime su proširili njezine mogućnosti. Međutim, znanstvenici su mogli modificirati samo jedan po jedan gen koristeći CRISPR/Cas sustav. Ali sada su istraživači s ETH Zurich razvili metodu koja može istovremeno modificirati 25 gena u stanici.

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

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

Molekularna biologija doživjela je razdoblje brzog razvoja vlastitih istraživačkih metoda, koje se sada razlikuju od biokemije. To posebice uključuje metode genetskog inženjeringa, kloniranja, umjetne ekspresije i nokauta gena. Budući da je DNK materijalni nositelj genetske informacije, molekularna biologija se znatno približila genetici, a na spoju je nastala molekularna genetika, koja je istovremeno dio genetike i molekularne biologije. Baš kao što molekularna biologija u velikoj mjeri koristi viruse kao istraživački alat, virologija koristi metode molekularne biologije za rješavanje svojih problema. Računalna tehnologija bavi se analizom genetskih informacija, u vezi s čime su se pojavila nova područja molekularne genetike, koja se ponekad smatraju posebnim disciplinama: bioinformatika, genomika i proteomika.

Povijest razvoja

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

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

Pedesetih godina XX. stoljeća pokazalo se da bakterije imaju primitivan spolni proces, sposobne su razmjenjivati ekstrakromosomsku DNA, plazmide. Otkriće plazmida, kao i transformacije, činili su temelj plazmidne tehnologije uobičajene u molekularnoj biologiji. Drugo važno otkriće za metodologiju bilo je otkriće početkom 20. stoljeća bakterijskih virusa, bakteriofaga. Fagi također mogu prenijeti genetski materijal iz jedne bakterijske stanice u drugu. Infekcija bakterija fagima dovodi do promjene sastava bakterijske RNA. Ako je bez faga sastav RNA sličan sastavu bakterijske DNA, tada nakon infekcije RNA postaje sličnija DNA bakteriofaga. Tako je utvrđeno da je struktura RNA određena strukturom DNA. S druge strane, brzina sinteze proteina u stanicama ovisi o količini kompleksa RNA-protein. Ovako je to formulirano središnja dogma molekularne biologije: DNA ↔ RNA → protein.

Daljnji razvoj molekularne biologije bio je popraćen razvojem njezine metodologije, posebice izumom metode za određivanje nukleotidnog slijeda DNA (W. Gilbert i F. Sanger, Nobelova nagrada za kemiju 1980.), i novim otkrića na području istraživanja strukture i funkcioniranja gena (v. Povijest genetike). Do početka 21. stoljeća dobiveni su podaci o primarnoj strukturi cjelokupne ljudske DNK i niza drugih organizama, najvažnijih za medicinu, Poljoprivreda i znanstvenog istraživanja, što je dovelo do pojave nekoliko novih područja u biologiji: genomika, bioinformatika i dr.

vidi također

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

Književnost

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

Linkovi

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

Ardatovsky okrug regije Nižnji Novgorod
Okrug Arzamas u regiji Nižnji Novgorod

Pogledajte što je "molekularna biologija" u drugim rječnicima:

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- proučava osn. svojstva i manifestacije života na molekularnoj razini. Najvažniji pravci u M. b. su proučavanja strukturne i funkcionalne organizacije genetskog aparata stanica i mehanizma za implementaciju nasljednih informacija ... ... Biološki enciklopedijski rječnik

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnoj razini. Doznaje kako i u kojoj mjeri su rast i razvoj organizama, pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija, pretvorba energije u živim stanicama i druge pojave zaslužne ... Veliki enciklopedijski rječnik

MOLEKULARNA BIOLOGIJA Moderna enciklopedija

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- MOLEKULARNA BIOLOGIJA, biološko proučavanje strukture i funkcije MOLEKULA koje čine žive organizme. Glavna područja studija su fizička i Kemijska svojstva proteini i NUKLEINSKE KISELINE kao što su DNK. vidi također… … Znanstveni i tehnički enciklopedijski rječnik

molekularna biologija- dio biol., koji istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnoj razini. Saznaje kako i u kojoj mjeri se odvija rast i razvoj organizama, pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija, pretvorba energije u živim stanicama i ... ... Mikrobiološki rječnik

molekularna biologija- — Teme biotehnologije EN molekularne biologije … Tehnički prevoditeljski priručnik

Molekularna biologija- MOLEKULARNA BIOLOGIJA, istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnoj razini. Saznaje kako i u kojoj mjeri se odvija rast i razvoj organizama, pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija, pretvorba energije u živim stanicama i ... ... Ilustrirani enciklopedijski rječnik

Molekularna biologija- znanost koja kao svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sustava na razini koja se približava molekularnoj razini, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Krajnji cilj ovoga je…… Velika sovjetska enciklopedija

MOLEKULARNA BIOLOGIJA- proučava fenomene života na razini makromolekula (pogl. arr. proteina i nukleinskih kiselina) u bezstaničnim strukturama (ribosomi i dr.), u virusima, a također iu stanicama. M.-ova svrha. utvrđivanje uloge i mehanizma funkcioniranja ovih makromolekula na temelju ... ... Kemijska enciklopedija

molekularna biologija- istražuje osnovna svojstva i manifestacije života na molekularnoj razini. Saznaje kako i u kojoj mjeri teče rast i razvoj organizama, pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija, pretvorba energije u živim stanicama i druge pojave ... ... enciklopedijski rječnik

knjige

Molekularna biologija stanice. Problemska knjiga, J. Wilson, T. Hunt. Knjiga američkih autora prilog je 2. izdanju udžbenika `Molekularna biologija stanice` B. Albertsa, D. Braya, J. Lewisa i dr. Sadrži pitanja i zadatke čija je svrha produbiti . ..

Molekularna biologija, znanost koja kao svoj zadatak postavlja poznavanje prirode životnih pojava proučavanjem bioloških objekata i sustava na razini koja se približava molekularnoj razini, au nekim slučajevima i dostiže ovu granicu. Konačni je cilj u ovom slučaju razjasniti kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života, kao što su nasljednost, reprodukcija vlastite vrste, biosinteza proteina, ekscitabilnost, rast i razvoj, pohranjivanje i prijenos informacija, transformacije energije, pokretljivost, razjašnjavaju kako i u kojoj mjeri karakteristične manifestacije života. itd., nastaju zbog strukture, svojstava i međudjelovanja molekula biološki važnih tvari, prvenstveno dviju glavnih klasa visokomolekularnih biopolimera - proteina i nukleinskih kiselina. Posebnost M. b. - proučavanje fenomena života na neživim objektima ili onima koji se odlikuju najprimitivnijim manifestacijama života. To su biološke tvorevine od stanične razine i niže: substanične organele, kao što su izolirane stanične jezgre, mitohondriji, ribosomi, kromosomi, stanične membrane; dalje - sustavi koji stoje na granici žive i nežive prirode - virusi, uključujući bakteriofage, i završavajući s molekulama kritične komponentežive tvari – nukleinske kiseline i proteini.

Temelj na kojem se razvio M. položile su znanosti poput genetike, biokemije, fiziologije elementarnih procesa itd. Prema podrijetlu svog razvoja, M. b. je neraskidivo povezana s molekularnom genetikom, koja je i dalje važan dio

Posebnost M. b. je njegova trodimenzionalnost. Bit M. b. M. Perutz to vidi u tumačenju bioloških funkcija u terminima molekularne strukture. M. b. ima za cilj dobiti odgovore na pitanje "kako", spoznavši bit uloge i sudjelovanja cjelokupne strukture molekule, te na pitanja "zašto" i "zašto", saznavši, s jedne strane, odnos između svojstava molekule (opet prvenstveno proteina i nukleinskih kiselina) i funkcija koje ona obavlja, a s druge strane, uloge takvih pojedinačnih funkcija u ukupnom kompleksu manifestacija vitalne aktivnosti.

Najvažnija dostignuća molekularne biologije. Ovdje je daleko nepotpun popis ovih postignuća: otkrivanje strukture i mehanizma biološke funkcije DNA, svih vrsta RNA i ribosoma, otkrivanje genetskog koda; otkriće obrnute transkripcije, tj. sinteze DNA na RNA šabloni; proučavanje mehanizama funkcioniranja dišnih pigmenata; otkriće trodimenzionalne strukture i njezine funkcionalne uloge u djelovanju enzima, principa sinteze matriksa i mehanizama biosinteze proteina; otkrivanje strukture virusa i mehanizama njihove replikacije, primarne i dijelom prostorne strukture protutijela; izolacija pojedinih gena, kemijska, a potom i biološka (enzimska) sinteza gena, uključujući i ljudsku, izvan stanice (in vitro); prijenos gena iz jednog organizma u drugi, uključujući i u ljudske stanice; brzo napredujuće dešifriranje kemijske strukture sve većeg broja pojedinačnih proteina, uglavnom enzima, kao i nukleinskih kiselina; otkriće fenomena "samosastavljanja" nekih bioloških objekata sve veće složenosti, počevši od molekula nukleinskih kiselina pa sve do višekomponentnih enzima, virusa, ribosoma itd.; rasvjetljavanje alosteričnih i drugih temeljnih principa regulacije bioloških funkcija i procesa.

Problemi molekularne biologije. Uz navedene važne poslove M. bi. (poznavanje zakona "prepoznavanja", samosastavljanja i integracije) stvarni smjer znanstvenog traganja za blisku budućnost je razvoj metoda koje omogućuju dešifriranje strukture, a potom i trodimenzionalne, prostorne organizacije visokomolekularnih nukleinske kiseline. Sve najvažnije metode, čijom je primjenom osiguran nastanak i uspjeh M. b., predložili su i razvili fizičari (ultracentrifugiranje, difrakcijska analiza X-zraka, elektronska mikroskopija, nuklearna magnetska rezonancija i dr.). Gotovo svi novi fizički eksperimentalni pristupi (na primjer, uporaba računala, sinkrotrona ili kočnog zračenja, zračenja, laserske tehnologije i drugi) otvaraju nove mogućnosti za dubinsko proučavanje problema M. b. Među najvažnijim zadacima praktične prirode, čiji se odgovor očekuje od M. b., na prvom je mjestu problem molekularne osnove malignog rasta, zatim – načini sprječavanja, a možda i prevladavanja nasljednih bolesti –“ molekularne bolesti". Od velike važnosti bit će rasvjetljavanje molekularne osnove biološke katalize, odnosno djelovanja enzima. Među najvažnijim moderni trendovi M. b. treba uključiti želju za dešifriranjem molekularnih mehanizama djelovanja hormona, otrovnih i ljekovitih tvari, kao i saznati detalje molekularne strukture i funkcioniranja takvih staničnih struktura kao što su biološke membrane uključene u regulaciju procesa prodiranja i transport tvari. Dalji ciljevi M. b. - poznavanje prirode živčanih procesa, mehanizama pamćenja itd. Jedan od važnih dijelova M. b. - tzv. genetski inženjering, koji kao svoju zadaću postavlja svrhovito djelovanje genetskog aparata (genoma) živih organizama, počevši od mikroba i nižih (jednostaničnih) do čovjeka (u potonjem slučaju prvenstveno u svrhu radikalnog liječenja nasljedne bolesti i ispravljanje genetskih defekata).

Najvažniji pravci MB:

- Molekularna genetika - proučavanje strukturne i funkcionalne organizacije genetskog aparata stanice i mehanizma za implementaciju nasljedne informacije

– Molekularna virologija – proučavanje molekularnih mehanizama interakcije virusa sa stanicama

– Molekularna imunologija – proučavanje obrazaca imunoloških reakcija tijela

– Molekularna biologija razvoja – proučavanje pojave stanične raznolikosti u tijeku individualnog razvoja organizama i specijalizacije stanica

Glavni predmeti istraživanja: Virusi (uključujući bakteriofage), Stanice i subcelularne strukture, Makromolekule, Višestanični organizmi.