Biochemija ir molekulinė biologija – kur studijuoti? Molekulinė biologija Molekuliniai biologai mokslinių tyrimų ir švietimo srityje

Molekulinė biologija

mokslas, kurio tikslas – suprasti gyvybės reiškinių prigimtį tiriant biologinius objektus ir sistemas lygiu, artėjančiu prie molekulinio lygio, o kai kuriais atvejais ir pasiekiant šią ribą. Galutinis tikslas – išsiaiškinti, kaip ir kokiu mastu pasireiškia būdingos gyvybės apraiškos, tokios kaip paveldimumas, savos rūšies dauginimasis, baltymų biosintezė, jaudrumas, augimas ir vystymasis, informacijos saugojimas ir perdavimas, energijos transformacijos, mobilumas ir kt. , priklauso nuo biologiškai svarbių medžiagų molekulių struktūros, savybių ir sąveikos, visų pirma dviejų pagrindinių didelės molekulinės masės biopolimerų klasių (žr. „Biopolimerai“). - baltymai ir nukleino rūgštys. Išskirtinis bruožas M. gim. - gyvybės reiškinių ant negyvų objektų arba tų, kuriems būdingos primityviausios gyvybės apraiškos, tyrimas. Tai biologiniai dariniai iš ląstelių lygio ir žemiau: subląsteliniai organeliai, tokie kaip izoliuoti ląstelių branduoliai, mitochondrijos, ribosomos, chromosomos, ląstelių membranos; toliau - sistemos, stovinčios ant gyvosios ir negyvosios gamtos ribos - virusai, įskaitant bakteriofagus ir baigiant molekulėmis esminiai komponentai gyvoji medžiaga – nukleorūgštys (žr. Nukleino rūgštys) ir baltymai (žr. Baltymai).

M. b. - nauja gamtos mokslų sritis, glaudžiai susijusi su seniai nusistovėjusiomis tyrimų sritimis, kurias apima biochemija (žr. Biochemija), biofizika (žr. Biofizika) ir bioorganinė chemija (žr. Bioorganinė chemija). Atskyrimas čia įmanomas tik atsižvelgiant į naudojamus metodus ir esminį taikomų metodų pobūdį.

Pagrindą, ant kurio kūrėsi M. b., padėjo tokie mokslai kaip genetika, biochemija, elementariųjų procesų fiziologija ir kt. Pagal savo raidos ištakas M. b. neatskiriamai susijęs su molekuline genetika (žr. Molekulinę genetiką) , kuri ir toliau sudaro svarbią matematikos dalį, nors iš esmės jau tapo savarankiška disciplina. M. b. izoliavimas. iš biochemijos diktuoja šie samprotavimai. Biochemijos uždaviniai daugiausia apsiriboja tam tikrų cheminių medžiagų dalyvavimo tam tikrose biologinėse funkcijose ir procesuose nustatymu bei jų virsmų pobūdžio išaiškavimu; Pagrindinė reikšmė priklauso informacijai apie reaktyvumą ir pagrindines cheminės struktūros ypatybes, išreikštas įprastais cheminė formulė. Taigi iš esmės dėmesys sutelkiamas į transformacijas, turinčias įtakos pagrindiniam valentui cheminiai ryšiai. Tuo tarpu, kaip pabrėžė L. Paulingas , biologinėse sistemose ir gyvybės apraiškose pagrindinė reikšmė turėtų būti teikiama ne pagrindinėms valentingoms jungtims, veikiančioms vienoje molekulėje, o įvairių tipų ryšiams, lemiantiems tarpmolekulines sąveikas (elektrostatiniams, van der Waals, vandeniliniams ryšiams ir kt.).

Galutinį biocheminio tyrimo rezultatą galima pateikti vienos ar kitos cheminių lygčių sistemos pavidalu, dažniausiai visiškai išnaudotą jų atvaizdavimo plokštumoje, tai yra dviem matmenimis. Išskirtinis bruožas M. gim. yra jos trimatis. Esmė M. b. mato M. Perutas, aiškinantis biologines funkcijas pagal molekulinę struktūrą. Galima sakyti, kad jei anksčiau, tiriant biologinius objektus, reikėjo atsakyti į klausimą „kas“, t.y., kokios medžiagos yra, ir į klausimą „kur“, kuriuose audiniuose ir organuose, tai M. b. siekia gauti atsakymus į klausimą „kaip“, sužinojęs visos molekulės struktūros vaidmens ir dalyvavimo esmę, ir į klausimus „kodėl“ ir „kam“, viena vertus, išsiaiškinęs, molekulės savybių (vėlgi pirmiausia baltymų ir nukleorūgščių) ir jos atliekamų funkcijų sąsajos ir, kita vertus, tokių atskirų funkcijų vaidmuo bendrame gyvybės apraiškų komplekse.

Lemiamą vaidmenį atlieka santykinė atomų ir jų grupių padėtis bendroje makromolekulės struktūroje ir jų erdviniai ryšiai. Tai taikoma tiek atskiriems komponentams, tiek bendrai molekulės konfigūracijai. Būtent dėl ​​griežtai nustatytos tūrinės struktūros atsiradimo biopolimerų molekulės įgyja tas savybes, dėl kurių jos gali būti materialus biologinių funkcijų pagrindas. Toks požiūrio į gyvų būtybių tyrimą principas yra būdingiausias, tipiškiausias M. b.

Istorinė nuoroda. Didžiulę biologinių problemų tyrimų molekuliniu lygmeniu svarbą numatė I. P. Pavlovas , kurie kalbėjo apie paskutinį gyvybės mokslo etapą – gyvosios molekulės fiziologiją. Pats terminas „M. b." Pirmą kartą buvo panaudota anglų kalba. mokslininkas W. Astbury taikant mokslinius tyrimus, susijusius su molekulinės struktūros ir fizinės bei biologines savybes fibriliniai (pluoštiniai) baltymai, tokie kaip kolagenas, kraujo fibrinas arba raumenų susitraukiantys baltymai. Plačiai vartojamas terminas „M. b." plieno nuo šeštojo dešimtmečio pradžios. 20 amžiaus

Atsiradus M. gim. Kaip brandus mokslas, įprasta datuoti 1953 m., kai J. Watsonas ir F. Crickas Kembridže (Didžioji Britanija) atrado trimatę dezoksiribonukleino rūgšties (DNR) struktūrą. Tai leido kalbėti apie tai, kaip šios struktūros detalės lemia DNR, kaip materialios paveldimos informacijos nešėjos, biologines funkcijas. Iš esmės šis DNR vaidmuo tapo žinomas kiek anksčiau (1944 m.) dėl amerikiečių genetiko O. T. Avery ir jo kolegų darbo (žr. „Molecular genetics“), tačiau nebuvo žinoma, kokiu mastu. šią funkciją priklauso nuo DNR molekulinės struktūros. Tai tapo įmanoma tik po to, kai W. L. Bragg (žr. Bragg-Wolff būklę), J. Bernal ir kt. laboratorijose buvo sukurti nauji rentgeno spindulių difrakcinės analizės principai, kurie užtikrino šio metodo panaudojimą detaliam erdvinės struktūros pažinimui. baltymų ir nukleorūgščių makromolekulės.

Molekulinės organizacijos lygiai. 1957 metais J. Kendrew nustatė trimatę Myoglobin a struktūrą , o vėlesniais metais tai padarė M. Perutz hemoglobino a atžvilgiu. Suformuluotos idėjos apie skirtingus makromolekulių erdvinio organizavimo lygius. Pirminė struktūra yra atskirų vienetų (monomerų) seka susidariusios polimero molekulės grandinėje. Baltymų monomerai yra aminorūgštys , nukleino rūgštims – Nukleotidai. Linijinė, siūlą primenanti biopolimero molekulė dėl vandenilinių jungčių turi galimybę tam tikru būdu tilpti erdvėje, pavyzdžiui, baltymų atveju, kaip parodė L. Paulingas, įgyti. spiralės forma. Tai vadinama antrine struktūra. Apie tretinę struktūrą kalbama, kai antrinės struktūros molekulė vienaip ar kitaip susilanksto toliau, užpildydama trimatę erdvę. Galiausiai, molekulės, turinčios trimatę struktūrą, gali sąveikauti, natūraliai išsidėsčiusios erdvėje viena kitos atžvilgiu ir sudarydamos tai, kas vadinama ketvirtine struktūra; atskiri jo komponentai paprastai vadinami subvienetais.

Dauguma aiškus pavyzdys Kaip molekulinė trimatė struktūra lemia biologines molekulės funkcijas, yra DNR. Ji turi dvigubos spiralės struktūrą: dvi viena kitai priešingomis kryptimis (antilygiagrečiai) einančios gijos yra susuktos viena aplink kitą, sudarydamos dvigubą spiralę su viena kitą papildančiu pagrindų išdėstymu, t. y. taip, kad priešais tam tikrą vienos grandinės pagrindą yra visada tas pats kitame grandinės pamate, kuris geriausias būdas užtikrina vandenilinių jungčių susidarymą: adepinas (A) sudaro porą su timinu (T), guaninas (G) – su citozinu (C). Ši struktūra sukuria optimalias sąlygas svarbiausioms biologinėms DNR funkcijoms: kiekybinis paveldimos informacijos dauginimas ląstelių dalijimosi procese, išlaikant šio genetinės informacijos srauto kokybinį nekintamumą. Kai ląstelė dalijasi, DNR dvigubos spiralės, kuri tarnauja kaip matrica arba šablonas, grandinės išsivynioja ir ant kiekvienos iš jų, veikiant fermentams, susintetinama nauja papildoma juosta. Dėl to iš vienos motininės DNR molekulės gaunamos dvi visiškai identiškos dukterinės molekulės (žr. Ląstelė, Mitozė).

Taip pat hemoglobino atveju paaiškėjo, kad jo biologinė funkcija – gebėjimas grįžtamai pridėti deguonies į plaučius, o paskui atiduoti jį audiniams – yra glaudžiai susijusi su trimatės hemoglobino struktūros ypatumais ir jo pokyčiais Jam būdingo fiziologinio vaidmens atlikimo procesas. Kai O2 jungiasi ir disocijuojasi, atsiranda erdviniai hemoglobino molekulės konformacijos pokyčiai, dėl kurių pasikeičia joje esančių geležies atomų giminingumas deguoniui. Hemoglobino molekulės dydžio pokyčiai, primenantys tūrio pokyčius krūtinė kvėpuojant, hemoglobiną leidžiama vadinti „molekuliniais plaučiais“.

Viena iš svarbiausių gyvų objektų savybių yra jų gebėjimas smulkiai reguliuoti visas gyvybės veiklos apraiškas. Didelis indėlis M. b. mokslo atradimai turėtų būti laikomi naujo, anksčiau nežinomo reguliavimo mechanizmo, vadinamo allosteriniu efektu, atradimu. Tai slypi mažos molekulinės masės medžiagų – vadinamųjų – gebėjime. ligandai – modifikuoja specifines makromolekulių, pirmiausia kataliziškai veikiančių baltymų – biologines funkcijas – fermentus, hemoglobiną, receptorių baltymus, dalyvaujančius biologinių membranų konstravime (Žr. Biologinės membranos), sinapsėje (žr. Sinapsės) ir kt.

Trys biotiniai srautai. Atsižvelgiant į M. idėjas b. gyvybės reiškinių visumą galima laikyti trijų srautų derinio rezultatu: materijos tėkmės, kuri savo išraišką randa medžiagų apykaitos reiškiniuose, t.y asimiliacijos ir disimiliacijos reiškiniuose; energijos srautas, kuris yra visų gyvybės apraiškų varomoji jėga; ir informacijos srautas, persmelkiantis ne tik visą kiekvieno organizmo vystymosi ir egzistavimo procesų įvairovę, bet ir nuolatinę eilės kartų eilę. Būtent informacijos srauto idėja, į gyvojo pasaulio doktriną įtraukta vystantis biologijos mokslui, palieka joje savo specifinį, unikalų pėdsaką.

Svarbiausi molekulinės biologijos pasiekimai. M. b. įtakos greitis, apimtis ir gylis. Pažanga suprantant esmines gyvosios gamtos tyrimo problemas pagrįstai lyginama, pavyzdžiui, su kvantinės teorijos įtaka atominės fizikos raidai. Dvi viduje susijusios sąlygos nulėmė šį revoliucinį poveikį. Viena vertus, lemiamą vaidmenį suvaidino galimybės tyrinėti svarbiausias gyvybės veiklos apraiškas pačiomis paprasčiausiomis sąlygomis atradimas, artėjant prie cheminių ir fizikinių eksperimentų tipo. Kita vertus, dėl šios aplinkybės į biologinių problemų kūrimą sparčiai įsitraukė nemažai tiksliųjų mokslų atstovų – fizikų, chemikų, kristalografų, o vėliau ir matematikų. Visos šios aplinkybės lėmė neįprastai sparčius medicinos mokslo raidos tempus ir vos per du dešimtmečius pasiektų laimėjimų skaičių ir reikšmę. Čia yra toli gražu ne visas šių pasiekimų sąrašas: DNR, visų tipų RNR ir ribosomų biologinės funkcijos struktūros ir mechanizmo atradimas (žr. Ribosomas) , genetinio kodo atskleidimas (žr. genetinį kodą) ; atvirkštinės transkripcijos atradimas (žr. Transkripciją) , y., DNR sintezė RNR šablone; tirti kvėpavimo pigmentų veikimo mechanizmus; trimatės struktūros atradimas ir jos funkcinis vaidmuo veikiant fermentams (žr. „Fermentai“) , matricos sintezės principas ir baltymų biosintezės mechanizmai; virusų struktūros (Žr. Virusai) ir jų dauginimosi mechanizmų, pirminės ir iš dalies erdvinės antikūnų struktūros atskleidimas; atskirų genų išskyrimas , cheminė, o po to biologinė (fermentinė) geno, įskaitant žmogaus, sintezė už ląstelės ribų (in vitro); genų perkėlimas iš vieno organizmo į kitą, įskaitant žmogaus ląsteles; sparčiai progresuojantis vis daugiau atskirų baltymų, daugiausia fermentų, taip pat nukleorūgščių cheminės struktūros iššifravimas; kai kurių didėjančio sudėtingumo biologinių objektų „savaiminio surinkimo“ reiškinių aptikimas, pradedant nuo nukleorūgščių molekulių ir pereinant prie daugiakomponentių fermentų, virusų, ribosomų ir kt.; allosterinių ir kitų pagrindinių biologinių funkcijų ir procesų reguliavimo principų išaiškinimas.

Redukcionizmas ir integracija. M. b. yra paskutinis šios krypties etapas tiriant gyvus objektus, kuris įvardijamas kaip „redukcionizmas“, t. y. noras supaprastinti sudėtingas gyvybės funkcijas iki reiškinių, vykstančių molekulių lygmenyje ir todėl prieinamus tirti fizikos ir fizikos metodais. chemija. Pasiektas M. b. sėkmės rodo šio metodo veiksmingumą. Kartu būtina atsižvelgti į tai, kad natūraliomis sąlygomis ląstelėje, audinyje, organe ir visame organizme susiduriame su vis sudėtingėjančiomis sistemomis. Tokios sistemos formuojamos iš žemesnio lygio komponentų natūraliai integruojantis į vientisumą, įgyjant struktūrinę ir funkcinę organizaciją bei naujų savybių. Todėl, kai žinios apie modelius, kuriuos galima atskleisti molekuliniame ir gretimuose lygmenyse, tampa išsamesni, prieš M. b. integracijos mechanizmų supratimo uždavinys iškyla kaip tolesnio gyvenimo reiškinių tyrimo vystymosi linija. Atspirties taškas čia yra tarpmolekulinės sąveikos jėgų – vandenilinių jungčių, van der Waalso, elektrostatinių jėgų ir kt. – tyrimas. Pagal savo visumą ir erdvinį išsidėstymą jie sudaro tai, ką galima pavadinti „integruojančia informacija“. Tai laikytina viena pagrindinių jau minėto informacijos srauto dalių. Rajone M. b. Integracijos pavyzdžiai apima sudėtingų darinių savaiminio surinkimo iš jų sudedamųjų dalių mišinio reiškinį. Tai apima, pavyzdžiui, daugiakomponentinių baltymų susidarymą iš jų subvienetų, virusų susidarymą iš juos sudarančių dalių – baltymų ir nukleino rūgšties, pradinės ribosomų struktūros atkūrimą atskyrus jų baltymų ir nukleorūgščių komponentus ir kt. iš šių reiškinių yra tiesiogiai susijęs su pagrindinių biopolimerų molekulių „atpažinimo“ reiškinių žiniomis. Esmė yra išsiaiškinti, kokie aminorūgščių deriniai - baltymų ar nukleotidų molekulėse - nukleino rūgštyse sąveikauja tarpusavyje atskirų molekulių susiejimo procesuose, sudarydami griežtai specifinės, iš anksto nustatytos sudėties ir struktūros kompleksus. Tai apima sudėtingų baltymų susidarymo iš jų subvienetų procesus; be to, selektyvi sąveika tarp nukleorūgščių molekulių, pavyzdžiui, transportavimo ir matricos (šiuo atveju genetinio kodo atskleidimas žymiai išplėtė mūsų informaciją); galiausiai, tai yra daugelio tipų struktūrų (pavyzdžiui, ribosomų, virusų, chromosomų), kuriose dalyvauja ir baltymai, ir nukleorūgštys, formavimas. Atitinkamų modelių atskleidimas, šios sąveikos „kalbos“ žinojimas yra vienas iš kritines sritis M.b., vis dar laukia savo plėtros. Ši sritis laikoma viena esminių visos biosferos problemų.

Molekulinės biologijos problemos. Kartu su nurodytomis svarbiomis užduotimis M. b. ("atpažinimo", savęs surinkimo ir integracijos dėsnių išmanymas) neatidėliotina mokslinių tyrimų kryptis artimiausioje ateityje yra metodų, leidžiančių iššifruoti struktūrą, o vėliau trimatę, erdvinę organizaciją, kūrimas. didelės molekulinės nukleorūgštys. Dabar tai buvo pasiekta atsižvelgiant į bendrus trimatės DNR struktūros kontūrus (dvigubą spiralę), tačiau neturint tikslių žinių apie jos pirminę struktūrą. Sparti analizės metodų kūrimo pažanga leidžia drąsiai tikėtis šių tikslų pasiekimo per ateinančius metus. Čia, be abejo, daugiausia prisideda susijusių mokslų, pirmiausia fizikos ir chemijos, atstovai. Visi svarbiausi metodai, kurių panaudojimas užtikrino molekulinės biologijos atsiradimą ir sėkmę, buvo pasiūlyti ir išplėtoti fizikų (ultracentrifugavimas, rentgeno difrakcinė analizė, elektronų mikroskopija, branduolinis magnetinis rezonansas ir kt.). Beveik visi nauji fizikiniai eksperimentiniai metodai (pavyzdžiui, kompiuterių, sinchrotrono arba bremsstrahlung, spinduliuotės, lazerinės technologijos ir kt. naudojimas) atveria naujas galimybes nuodugniai tyrinėti molekulinės biologijos problemas. Tarp svarbiausių praktinių problemų, į kurias atsakymo tikimasi iš M. b., pirmiausia yra piktybinio augimo molekulinio pagrindo problema, vėliau – būdai užkirsti kelią, o gal ir įveikti paveldimas ligas – „molekulinės ligos“. “ (Žr. Molekulinės ligos ). Didelę reikšmę turės biologinės katalizės molekulinio pagrindo, t.y. fermentų veikimo, išaiškinimas. Tarp svarbiausių šiuolaikinės tendencijos M. b. turėtų apimti norą iššifruoti molekulinius hormonų veikimo mechanizmus (žr. , toksinių ir vaistinių medžiagų, taip pat išsiaiškinti tokių ląstelių struktūrų, kaip biologinės membranos, dalyvaujančios reguliuojant medžiagų įsiskverbimo ir transportavimo procesus, molekulinės sandaros ir funkcionavimo detales. Tolimesni M. b. įvarčiai. - nervų procesų prigimties, atminties mechanizmų išmanymas (žr. Atmintis) ir kt. Viena iš svarbių besiformuojančių įsiminimo skyrių. - vadinamasis genų inžinerija, kuria siekiama tikslingai eksploatuoti gyvų organizmų genetinį aparatą (Genomą) nuo mikrobų ir žemesniųjų (vienaląsčių) iki žmogaus (pastaruoju atveju pirmiausia radikaliam paveldimų ligų gydymui (žr. Paveldimos ligos). ir genetinių defektų korekcija). Išsamesnės intervencijos į žmogaus genetinį pagrindą gali būti aptariamos tik daugiau ar mažiau tolimoje ateityje, nes tai susidurs su rimtomis techninėmis ir esminėmis kliūtimis. Dėl mikrobų, augalų ir galbūt žemės ūkio produktų. Gyvūnams tokios perspektyvos labai džiugina (pavyzdžiui, gauti kultūrinių augalų veislių, kurios turi aparatą azotui fiksuoti iš oro ir nereikalauja trąšų). Jie pagrįsti jau pasiekta sėkme: genų išskyrimu ir sinteze, genų perkėlimu iš vieno organizmo į kitą, masinių ląstelių kultūrų, kaip ekonomiškai ar mediciniškai svarbių medžiagų gamintojų, naudojimu.

Molekulinės biologijos tyrimų organizavimas. Spartus vystymasis M. b. lėmė daugybės specializuotų tyrimų centrų atsiradimą. Jų skaičius sparčiai auga. Didžiausia: Didžiojoje Britanijoje – Molekulinės biologijos laboratorija Kembridže, Karališkoji institucija Londone; Prancūzijoje - molekulinės biologijos institutai Paryžiuje, Marselyje, Strasbūre, Pasteur institutas; JAV - departamentai M. b. universitetuose ir institutuose Bostone (Harvardo universitetas, Masačusetso technologijos institutas), San Franciske (Berklis), Los Andžele (Kalifornijos technologijos institutas), Niujorke (Rokfelerio universitetas), sveikatos institutuose Bethesdoje ir kt.; Vokietijoje - Max Planck institutai, Getingeno ir Miuncheno universitetai; Švedijoje - Karolinska Institutet Stokholme; VDR - Centrinis molekulinės biologijos institutas Berlyne, institutai Jenoje ir Hale; Vengrijoje – Biologijos centras Segede. SSRS pirmasis specializuotas medicinos medicinos institutas. buvo sukurtas Maskvoje 1957 m. SSRS mokslų akademijos sistemoje (žr. ); tada susikūrė: SSRS mokslų akademijos Bioorganinės chemijos institutas Maskvoje, Baltymų institutas Puščinoje, Biologinis skyrius prie Atominės energetikos instituto (Maskva), katedros M. b. Mokslų akademijos Sibiro filialo institutuose Novosibirske, Maskvos valstybinio universiteto Tarpfakultetinėje Bioorganinės chemijos laboratorijoje, Ukrainos TSR mokslų akademijos Molekulinės biologijos ir genetikos sektoriuje (tuometiniame institute) Kijeve; reikšmingas darbas M. b. atliekama Leningrado Makromolekulinių junginių institute, daugelyje TSRS mokslų akademijos ir kitų padalinių katedrų bei laboratorijų.

Kartu su individualiais tyrimų centrais atsirado ir didesnio masto organizacijos. Vakarų Europoje iškilo Europos organizacija M. b. (EMBO), kuriame dalyvauja daugiau nei 10 šalių. SSRS Molekulinės biologijos institute 1966 metais buvo įkurta molekulinės biologijos mokslinė taryba, kuri yra šios žinių srities koordinavimo ir organizavimo centras. Jis išleido daugybę monografijų apie svarbiausias matematikos dalis, reguliariai rengia matematikos „žiemos mokyklas“, rengia konferencijas ir simpoziumus. dabartines problemas M. b. Ateityje mokslinės konsultacijos apie M. b. buvo sukurti SSRS medicinos mokslų akademijoje ir daugelyje respublikinių mokslų akademijų. Nuo 1966 metų leidžiamas žurnalas Molecular Biology (6 numeriai per metus).

Per gana trumpą laiką SSRS išaugo nemaža grupė mikrobiologijos srities tyrinėtojų; tai vyresnės kartos mokslininkai, iš dalies pakeitę savo interesus iš kitų sričių; didžiąja dalimi tai yra daug jaunų tyrinėtojų. Tarp pirmaujančių mokslininkų, aktyviai dalyvavusių formuojant ir plėtojant M. b. SSRS galima įvardyti tokius kaip A. A. Bajevas, A. N. Belozerskis, A. E. Braunšteinas, Yu. A. Ovčinnikovas, A. S. Spirinas, M. M. Šemjakinas, V. A. Engelhardtas. Nauji M. b. pasiekimai. o molekulinė genetika bus skatinama TSKP CK ir SSRS Ministrų Tarybos nutarimu (1974 m. gegužės mėn.) „Dėl priemonių molekulinės biologijos ir molekulinės genetikos raidai ir jų laimėjimams panaudoti nacionalinėje veikloje paspartinti. ekonomika."

Lit.: Wagner R., Mitchell G., Genetika ir metabolizmas, trans. iš anglų k., M., 1958; Szent-Gyorgy ir A., ​​Bioenergetics, vert. iš anglų k., M., 1960; Anfinsen K., Molekulinis evoliucijos pagrindas, vert. iš anglų k., M., 1962; Stanley W., Valens E., Virusai ir gyvenimo prigimtis, vert. iš anglų k., M., 1963 m. Molekulinė genetika, trans. Su. anglų k., 1 dalis, M., 1964; Volkenshtein M.V., Molekulės ir gyvenimas. Įvadas į molekulinę biofiziką, M., 1965; Gaurowitz F., Chemija ir baltymų funkcijos, trans. iš anglų k., M., 1965; Bresler S.E., Įvadas į molekulinę biologiją, 3 leidimas, M. - L., 1973; Ingram V., Makromolekulių biosintezė, trans. iš anglų k., M., 1966; Engelhardt V. A., Molekulinė biologija, knygoje: Biologijos raida SSRS, M., 1967; Įvadas į molekulinę biologiją, trans. iš anglų k., M., 1967; Watson J., Molekulinė geno biologija, trans. iš anglų k., M., 1967; Finean J., Biologinės ultrastruktūros, vert. iš anglų k., M., 1970; Bendall J., Raumenys, molekulės ir judėjimas, trans. iš anglų k., M., 1970; Ichas M., Biologinis kodas, vert. iš anglų k., M., 1971; Virusų molekulinė biologija, M., 1971; Baltymų biosintezės molekulinis pagrindas, M., 1971; Bernhard S., Fermentų struktūra ir funkcija, trans. iš anglų k., M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, 2nd ed., M., 1971; Frenkel-Konrath H., Virusų chemija ir biologija, trans. iš anglų k., M., 1972; Smith K., Hanewalt F., Molekulinė fotobiologija. Inaktyvavimo ir atkūrimo procesai, trans. iš anglų k., M., 1972; Harris G., Žmogaus biocheminės genetikos pagrindai, trans. iš anglų kalbos, M., 1973 m.

V. A. Engelhardtas.

Didžioji sovietinė enciklopedija. - M.: Tarybinė enciklopedija. 1969-1978 .

Komiksas konkursui „bio/mol/text“: Šiandien molekulinės biologijos mėgintuvėlis nuves jus po nuostabaus mokslo – molekulinės biologijos – pasaulį! Pradėsime nuo istorinės ekskursijos per jos raidos etapus, aprašydami pagrindinius atradimus ir eksperimentus nuo 1933 m. Taip pat aiškiai papasakosime apie pagrindinius molekulinės biologijos metodus, kurie leido manipuliuoti, keisti ir išskirti genus. Šių metodų atsiradimas buvo stiprus impulsas molekulinės biologijos vystymuisi. Taip pat prisiminkime biotechnologijų vaidmenį ir paliesime vieną populiariausių šios srities temų – genomo redagavimą naudojant CRISPR/Cas sistemas.

Generalinis konkurso rėmėjas ir Skoltech nominacijos partneris yra .

Konkurso rėmėja – bendrovė „Diaem“ – didžiausia biologinių tyrimų ir gamybos įrangos, reagentų ir eksploatacinių medžiagų tiekėja.

Žiūrovų apdovanojimą rėmė bendrovė.

„Knyga“ konkurso rėmėjas – „Alpina Non-Fiction“

1. Įvadas. Molekulinės biologijos esmė

Tyrinėja organizmų gyvenimo pagrindus makromolekulių lygmeniu. Molekulinės biologijos tikslas yra nustatyti šių makromolekulių vaidmenį ir veikimo mechanizmus, remiantis žiniomis apie jų struktūras ir savybes.

Istoriškai molekulinė biologija susiformavo kuriant biochemijos sritis, kuriose tiriamos nukleino rūgštys ir baltymai. Nors biochemija tiria medžiagų apykaitą, cheminė sudėtis gyvos ląstelės, organizmai ir juose vykstantys cheminiai procesai, molekulinė biologija pagrindinį dėmesį skiria genetinės informacijos perdavimo, dauginimosi ir saugojimo mechanizmų tyrimams.

O molekulinės biologijos tyrimo objektas yra pačios nukleorūgštys – dezoksiribonukleino rūgštys (DNR), ribonukleino rūgštys (RNR) – ir baltymai, taip pat jų makromolekuliniai kompleksai – chromosomos, ribosomos, multifermentinės sistemos, užtikrinančios baltymų ir nukleino sintezę. rūgštys. Molekulinė biologija taip pat ribojasi su tyrimų objektais ir iš dalies sutampa su molekuline genetika, virusologija, biochemija ir daugeliu kitų susijusių biologijos mokslų.

2. Istorinis ekskursas į molekulinės biologijos raidos etapus

Molekulinė biologija, kaip atskira biochemijos šaka, pradėjo vystytis praėjusio amžiaus 30-aisiais. Jau tada atsirado poreikis suprasti gyvybės reiškinį molekuliniu lygmeniu tirti genetinės informacijos perdavimo ir saugojimo procesus. Būtent tuo metu buvo nustatytas molekulinės biologijos uždavinys tiriant baltymų ir nukleorūgščių savybes, struktūrą ir sąveiką.

Terminas „molekulinė biologija“ pirmą kartą buvo pavartotas m 1933 metų William Astbury fibrilinių baltymų (kolageno, kraujo fibrino, raumenų susitraukiančių baltymų) tyrimo metu. Astbury tyrinėjo ryšį tarp šių baltymų molekulinės struktūros ir biologinių, fizinių savybių. Molekulinės biologijos pradžioje RNR buvo laikoma tik augalų ir grybų sudedamąja dalimi, o DNR – tik gyvūnų. Ir į 1935 Andrejus Belozerskis atrado žirnių DNR, todėl buvo nustatyta, kad DNR yra kiekvienoje gyvoje ląstelėje.

IN 1940 2009 m. didžiulis laimėjimas buvo George'o Beadle'o ir Edwardo Tathamo nustatyti priežasties ir pasekmės ryšį tarp genų ir baltymų. Mokslininkų hipotezė „Vienas genas – vienas fermentas“ sudarė pagrindą sampratai, kad specifinę baltymo struktūrą reguliuoja genai. Manoma, kad genetinę informaciją koduoja speciali DNR nukleotidų seka, reguliuojanti pirminę baltymų struktūrą. Vėliau buvo įrodyta, kad daugelis baltymų turi ketvirtinę struktūrą. Tokių struktūrų formavime dalyvauja įvairios peptidinės grandinės. Remiantis tuo, nuostata dėl geno ir fermento ryšio buvo šiek tiek pakeista ir dabar skamba kaip „Vienas genas - vienas polipeptidas“.

IN 1944 2006 m. amerikiečių biologas Oswaldas Avery ir jo kolegos (Colinas McLeodas ir McLeanas McCarthy) įrodė, kad medžiaga, sukelianti bakterijų transformaciją, yra DNR, o ne baltymai. Eksperimentas buvo DNR vaidmens perduodant paveldimą informaciją įrodymas, ištrinantis pasenusias žinias apie genų baltyminę prigimtį.

50-ųjų pradžioje Frederickas Sangeris parodė, kad baltymų grandinė yra unikali aminorūgščių liekanų seka. IN 1951 Ir 1952 metų mokslininkas nustatė pilną dviejų polipeptidinių grandinių seką – galvijų insuliną IN(30 aminorūgščių liekanų) ir A(atitinkamai 21 aminorūgšties liekana).

Maždaug tuo pačiu metu, į 1951–1953 gg., Erwinas Chargaffas suformulavo taisykles dėl azoto bazių santykio DNR. Pagal taisyklę, nepaisant gyvų organizmų rūšių skirtumų jų DNR, adenino (A) kiekis yra lygus timino (T) kiekiui, o guanino (G) – citozino kiekiui. (C).

IN 1953 Įrodytas genetinis DNR vaidmuo. Jamesas Watsonas ir Francisas Crickas, remdamiesi Rosalind Franklin ir Maurice'o Wilkinso gautu DNR rentgeno spindulių difrakcijos modeliu, nustatė erdvinę DNR struktūrą ir iškėlė hipotezę, kuri vėliau buvo patvirtinta, apie jos replikacijos (dubliavimo) mechanizmą. , kuris yra paveldimumo pagrindas.

1958 metai - centrinės molekulinės biologijos dogmos formavimas, kurį sukūrė Francis Crick: genetinės informacijos perdavimas vyksta DNR → RNR → baltymo kryptimi.

Dogmos esmė yra ta, kad ląstelėse vyksta tam tikras nukreiptas informacijos srautas iš DNR, kuris, savo ruožtu, yra originalus genetinis tekstas, susidedantis iš keturių raidžių: A, T, G ir C. Jis parašytas dviguba spirale. DNR šių raidžių formų sekomis – nukleotidais.

Šis tekstas yra perrašytas. Ir pats procesas vadinamas transkripcija. Šio proceso metu sintetinama RNR, kuri yra identiška genetiniam tekstui, bet su skirtumu: RNR vietoje T yra U (uracilas).

Ši RNR vadinama pasiuntinio RNR (mRNR), arba matrica (mRNR). Transliacija mRNR atliekama naudojant genetinį kodą nukleotidų tripletų sekų pavidalu. Šio proceso metu DNR ir RNR nukleorūgščių tekstas paverčiamas iš keturių raidžių teksto į dvidešimties raidžių aminorūgščių tekstą.

Natūralių aminorūgščių yra tik dvidešimt, o nukleorūgščių tekste yra keturios raidės. Dėl šios priežasties genetinis kodas, kuriame kas trys nukleotidai atitinka aminorūgštį, įvyksta iš keturių raidžių abėcėlės į dvidešimties raidę. Taigi iš keturių raidžių galite padaryti net 64 trijų raidžių kombinacijas, nepaisant to, kad aminorūgščių yra 20. Iš to išplaukia, kad genetinis kodas būtinai turi turėti išsigimimo savybę. Tačiau tuo metu genetinis kodas nebuvo žinomas ir net nebuvo pradėtas iššifruoti, tačiau Crickas jau buvo suformulavęs savo pagrindinę dogmą.

Nepaisant to, buvo tikima, kad kodas turėtų egzistuoti. Iki to laiko buvo įrodyta, kad šis kodas buvo trigubas. Tai reiškia, kad konkrečiai trys raidės nukleino rūgštyse ( kodonai) atitinka bet kurią aminorūgštį. Šių kodonų yra tik 64, jie koduoja 20 aminorūgščių. Tai reiškia, kad kiekviena aminorūgštis vienu metu atitinka kelis kodonus.

Taigi galime daryti išvadą, kad centrinė dogma yra postulatas, teigiantis, kad ląstelėje vyksta kryptingas informacijos srautas: DNR → RNR → baltymas. Crickas pabrėžė pagrindinį pagrindinės dogmos turinį: negali vykti atvirkštinis informacijos srautas, baltymas nepajėgus pakeisti genetinės informacijos.

Tai ir yra pagrindinė centrinės dogmos reikšmė: baltymas nepajėgus pakeisti ir paversti informacijos į DNR (arba RNR), srautas visada eina tik viena kryptimi.

Po kurio laiko buvo atrastas naujas fermentas, kuris nebuvo žinomas tuo metu, kai buvo suformuluota pagrindinė dogma. atvirkštinė transkriptazė, kuri sintetina DNR iš RNR. Fermentas buvo aptiktas virusuose, kurių genetinė informacija užkoduota RNR, o ne DNR. Tokie virusai vadinami retrovirusais. Jie turi virusinę kapsulę, kurioje yra RNR ir specialus fermentas. Fermentas yra atvirkštinė transkriptazė, kuri sintetina DNR naudodama šios virusinės RNR šabloną, o ši DNR vėliau yra genetinė medžiaga tolesniam viruso vystymuisi ląstelėje.

Žinoma, šis atradimas sukėlė didelį sukrėtimą ir daug ginčų tarp molekulinių biologų, nes buvo manoma, kad remiantis pagrindine dogma, tai negali būti įmanoma. Tačiau Crickas iš karto paaiškino, kad niekada nesakė, kad tai neįmanoma. Jis tik pasakė, kad informacijos srautas iš baltymų į nukleino rūgštis niekada negali vykti, tačiau nukleino rūgštyse yra visiškai įmanomas bet koks procesas: DNR sintezė ant DNR, DNR ant RNR, RNR ant DNR ir RNR ant RNR.

Suformulavus pagrindinę dogmą, vis dar liko keletas klausimų: kaip keturių nukleotidų abėcėlė, sudaranti DNR (arba RNR), koduoja 20 raidžių aminorūgščių, sudarančių baltymus, abėcėlę? Kokia yra genetinio kodo esmė?

Pirmąsias idėjas apie genetinio kodo egzistavimą suformulavo Aleksandras Downesas ( 1952 g.) ir Georgijus Gamovas ( 1954 G.). Mokslininkai įrodė, kad nukleotidų seka turi apimti bent tris vienetus. Vėliau buvo įrodyta, kad tokia seka susideda iš trijų nukleotidų, vadinamų kodonas (trynukas). Nepaisant to, klausimas, kurie nukleotidai yra atsakingi už kurios aminorūgšties įtraukimą į baltymo molekulę, liko atviras iki 1961 m.

Ir į 1961 Maršalas Nirenbergas ir Heinrichas Mattei naudojo sistemą transliavimui in vitro. Kaip šablonas buvo naudojamas oligonukleotidas. Jame buvo tik uracilo liekanos, o iš jo susintetintas peptidas apėmė tik aminorūgštį fenilalaniną. Taigi pirmą kartą buvo nustatyta kodono reikšmė: UUU kodonas koduoja fenilalaniną. Har Korano lauke nustatyta, kad nukleotidų seka UCUCUCUCUCUCUC koduoja aminorūgščių rinkinį serinas-leucinas-serinas-leucinas. Apskritai, Nirenbergo ir Koranos darbo dėka 1965 metų genetinis kodas buvo visiškai išspręstas. Paaiškėjo, kad kiekvienas tripletas koduoja tam tikrą aminorūgštį. O kodonų tvarka lemia aminorūgščių tvarką baltyme.

Pagrindiniai baltymų ir nukleorūgščių veikimo principai buvo suformuluoti 70-ųjų pradžioje. Buvo užfiksuota, kad baltymų ir nukleorūgščių sintezė atliekama naudojant šabloninį mechanizmą. Matricos molekulėje yra užkoduota informacija apie aminorūgščių arba nukleotidų seką. Replikacijos ar transkripcijos metu DNR tarnauja kaip šablonas; transliacijos ir atvirkštinės transkripcijos metu mRNR tarnauja kaip šablonas.

Taip buvo sukurtos prielaidos formuotis molekulinės biologijos sritims, įskaitant genų inžineriją. O 1972 metais Paulas Bergas ir jo kolegos sukūrė molekulinio klonavimo technologiją. Mokslininkai gavo pirmąją rekombinantinę DNR in vitro. Šie išskirtiniai atradimai sudarė naujos molekulinės biologijos krypties pagrindą ir 1972 Nuo tada metai buvo laikomi genų inžinerijos gimimo data.

3. Molekulinės biologijos metodai

Didžiulė pažanga tiriant nukleino rūgštis, DNR struktūrą ir baltymų biosintezę paskatino sukurti daugybę metodų, kurie yra labai svarbūs medicinoje. Žemdirbystė ir apskritai mokslas.

Ištyrus genetinį kodą ir pagrindinius paveldimos informacijos saugojimo, perdavimo ir įgyvendinimo principus, tolesniam molekulinės biologijos vystymuisi atsirado būtini specialūs metodai. Šie metodai leistų manipuliuoti genais, juos keisti ir izoliuoti.

Tokių metodų atsiradimas įvyko aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose. Tai davė didžiulį impulsą molekulinės biologijos raidai. Visų pirma, šie metodai yra tiesiogiai susiję su genų gavimu ir jų įvedimu į kitų organizmų ląsteles, taip pat galimybe nustatyti nukleotidų seką genuose.

3.1. DNR elektroforezė

DNR elektroforezė yra pagrindinis darbo su DNR metodas. DNR elektroforezė naudojama kartu su beveik visais kitais metodais norint išskirti norimas molekules ir toliau analizuoti rezultatus. Pats gelio elektroforezės metodas naudojamas atskirti DNR fragmentus pagal ilgį.

Prieš arba po elektroforezės gelis apdorojamas dažais, kurie gali prisijungti prie DNR. Dažai fluorescuoja ultravioletinėje šviesoje, todėl gelyje susidaro juostelių raštas. Norint nustatyti DNR fragmentų ilgį, juos galima palyginti su žymekliai- standartinio ilgio fragmentų rinkiniai, kurie tepami ant to paties gelio.

Fluorescenciniai baltymai

Tiriant eukariotinius organizmus patogu naudoti fluorescencinius baltymus kaip žymenis genus. Pirmojo žaliai fluorescencinio baltymo genas ( žalias fluorescencinis baltymas, GFP) išskirtas iš medūzų Aqeuorea victoria, po to jie buvo įvežti į įvairius organizmus. Vėliau buvo išskirti kitų spalvų fluorescencinių baltymų genai: mėlyna, geltona, raudona. Norint gauti dominančių savybių turinčius baltymus, tokie genai buvo dirbtinai modifikuoti.

Apskritai, svarbiausi įrankiai dirbant su DNR molekule yra fermentai, kurie ląstelėse atlieka daugybę DNR transformacijų: DNR polimerazės, DNR ligazės Ir restrikcijos fermentai (restrikcijos endonukleazės).

Transgenezė

Transgenezė vadinamas genų perkėlimu iš vieno organizmo į kitą. Ir tokie organizmai vadinami transgeninis.

Rekombinantiniai baltymų preparatai gaminami genų perkėlimo į mikrobų ląsteles metodu. Daugiausia tokie baltyminiai preparatai yra interferonai, insulino, kai kurie baltyminiai hormonai, taip pat baltymai, skirti daugybei vakcinų gaminti.

Kitais atvejais naudojamos eukariotų ar transgeninių gyvūnų, dažniausiai galvijų, ląstelių kultūros, kurios į pieną išskiria reikiamus baltymus. Tokiu būdu gaunami antikūnai, kraujo krešėjimo faktoriai ir kiti baltymai. Transgenezės metodu išgaunami kultūriniai augalai, atsparūs kenkėjams ir herbicidams, o nuotekos valomos transgeninių mikroorganizmų pagalba.

Be visų aukščiau išvardintų, transgeninės technologijos yra būtinos moksliniuose tyrimuose, nes naudojant modifikavimo ir genų perdavimo metodus biologija vystosi greičiau.

Restrikcijos fermentai

Restrikcijos fermentų atpažįstamos sekos yra simetriškos, todėl bet kokie lūžiai gali įvykti arba tokios sekos viduryje, arba pasislinkus vienoje ar abiejose DNR molekulės grandinėse.

Kai bet kuri DNR yra suardoma restrikcijos fermentu, sekos fragmentų galuose bus vienodos. Jie vėl galės prisijungti, nes turi vienas kitą papildančių regionų.

Galite gauti vieną molekulę, sujungę šias sekas DNR ligazės. Dėl to galima sujungti dviejų skirtingų DNR fragmentus ir gauti rekombinantinę DNR.

3.2. PGR

Metodas pagrįstas DNR polimerazių gebėjimu užbaigti antrąją DNR grandinę išilgai papildomos grandinės taip pat, kaip ir DNR replikacijos ląstelėje metu.

3.3. DNR sekos nustatymas

Spartus sekos nustatymo metodo vystymasis leidžia efektyviai nustatyti tiriamo organizmo savybes jo genomo lygmeniu. Pagrindinis tokių genominių ir postgenominių technologijų privalumas yra tyrimų ir studijų galimybių didėjimas genetinė prigimtisžmonių ligų, kad būtų galima imtis iš anksto būtinų priemonių ir išvengti ligų.

Atliekant plataus masto tyrimus galima gauti reikiamų duomenų apie įvairias skirtingų žmonių grupių genetines savybes, taip plėtojant medicininius metodus. Dėl šios priežasties šiandien labai populiaru nustatyti genetinį polinkį sirgti įvairiomis ligomis.

Panašūs metodai plačiai taikomi beveik visame pasaulyje, įskaitant Rusiją. Dėl mokslo pažangos tokie metodai diegiami į medicinos tyrimus ir Medicininė praktika apskritai.

4. Biotechnologija

Biotechnologija- disciplina, tirianti gyvų organizmų ar jų sistemų panaudojimo galimybes technologinėms problemoms spręsti, taip pat kurti gyvus organizmus su reikalingos savybės per genų inžineriją. Biotechnologijose taikomi chemijos, mikrobiologijos, biochemijos ir, žinoma, molekulinės biologijos metodai.

Pagrindinės biotechnologijos plėtros kryptys (visų pramonės šakų gamyboje diegiami biotechnologinių procesų principai):

1. Naujų rūšių maisto ir gyvūnų pašarų kūrimas ir gamyba.
2. Naujų mikroorganizmų padermių gavimas ir tyrimas.
3. Veiskite naujas augalų veisles, taip pat sukurkite priemones augalams apsaugoti nuo ligų ir kenkėjų.
4. Biotechnologijų metodų taikymas aplinkos poreikiams. Tokie biotechnologiniai metodai naudojami perdirbant atliekas, valant nuotekas, valant išmetamą orą ir dirvožemį.
5. Vitaminų, hormonų, fermentų, serumų gamyba medicinos reikmėms. Biotechnologai tobulėja vaistai kurios anksčiau buvo laikomos nepagydomomis.

Pagrindinis biotechnologijų pasiekimas yra genų inžinerija.

Genetinė inžinerija- rekombinantinių RNR ir DNR molekulių gavimo, atskirų genų išskyrimo iš ląstelių, genų manipuliavimo ir įvedimo į kitus organizmus (bakterijas, mieles, žinduolius) technologijų ir metodų rinkinys. Tokie organizmai gali gaminti galutinius produktus su norimomis, pakeistomis savybėmis.

Genų inžinerijos metodais siekiama sukurti naujas, anksčiau gamtoje neegzistavusias genų kombinacijas.

Kalbant apie genų inžinerijos pasiekimus, klonavimo temos nepaliesti neįmanoma. Klonavimas yra biotechnologijos metodas, naudojamas identiškiems skirtingų organizmų palikuonims nelytinio dauginimosi būdu.

Kitaip tariant, klonavimas gali būti suvokiamas kaip genetiškai identiškų organizmo ar ląstelės kopijų kūrimo procesas. O klonuoti organizmai yra panašūs ar net identiški ne tik išorinėmis savybėmis, bet ir genetiniu turiniu.

Garsioji avis Dolly tapo pirmuoju žinduoliu, kuris buvo klonuotas 1966 m. Jis buvo gautas persodinus somatinės ląstelės branduolį į kiaušialąstės citoplazmą. Dolly buvo genetinė avies, kuri donorė ląstelės branduolį, kopija. Natūraliomis sąlygomis individas susidaro iš vieno apvaisinto kiaušinėlio, pusę genetinės medžiagos gavęs iš dviejų tėvų. Tačiau klonavimo metu genetinė medžiaga buvo paimta iš vieno individo ląstelės. Pirmiausia iš zigotos buvo pašalintas branduolys, kuriame yra pati DNR. Tada jie ištraukė branduolį iš suaugusios avies ląstelės ir implantavo į tą zigotą, kurioje nebuvo branduolio, o tada jis buvo persodintas į suaugusio žmogaus gimdą ir suteikė galimybę augti ir vystytis.

Tačiau ne visi klonavimo bandymai buvo sėkmingi. Lygiagrečiai su Dolly klonavimu buvo atliktas DNR pakeitimo eksperimentas su kitais 273 kiaušiniais. Tačiau tik vienu atveju gyvas suaugęs gyvūnas galėjo visiškai vystytis ir augti. Po Dolly mokslininkai bandė klonuoti kitas žinduolių rūšis.

Viena iš genų inžinerijos rūšių yra genomo redagavimas.

CRISPR/Cas įrankis yra pagrįstas bakterijų imuninės gynybos sistemos elementu, kurį mokslininkai pritaikė bet kokiems gyvūnų ar augalų DNR pakitimams įvesti.

CRISPR/Cas yra vienas iš biotechnologinių metodų, skirtų manipuliuoti atskirais genais ląstelėse. Yra daugybė šios technologijos pritaikymų. CRISPR / Cas leidžia tyrėjams išsiaiškinti skirtingų genų funkciją. Norėdami tai padaryti, jums tiesiog reikia iškirpti dominantį geną iš DNR ir ištirti, kurios kūno funkcijos buvo paveiktos.

Kai kurie praktiniai sistemos pritaikymai:

1. Žemdirbystė. CRISPR/Cas sistemos gali būti naudojamos pasėliams pagerinti. Būtent, kad jie būtų skanesni ir maistingesni, taip pat atsparūs karščiui. Galima augalus apdovanoti ir kitomis savybėmis: pavyzdžiui, iš riešutų (žemės riešutų ar lazdyno) iškirpti alergeno geną.
2. Medicina, paveldimos ligos. Mokslininkai turi tikslą panaudoti CRISPR/Cas, kad pašalintų žmogaus genomo mutacijas, kurios gali sukelti tokias ligas kaip pjautuvinių ląstelių anemija ir kt. Teoriškai naudojant CRISPR/Cas galima sustabdyti ŽIV vystymąsi.
3. Genų pavara. CRISPR/Cas gali pakeisti ne tik atskiro gyvūno ar augalo genomą, bet ir rūšies genofondą. Ši sąvoka žinoma kaip "genų pavara". Kiekvienas gyvas organizmas pusę savo genų perduoda palikuonims. Tačiau naudojant CRISPR/Cas genų perdavimo tikimybė gali padidėti iki 100%. Tai svarbu, kad norima savybė greičiau išplistų visoje populiacijoje.

Šveicarijos mokslininkai žymiai patobulino ir modernizavo CRISPR/Cas genomo redagavimo metodą, taip išplėtę jo galimybes. Tačiau mokslininkai vienu metu galėjo modifikuoti tik vieną geną naudodami CRISPR/Cas sistemą. Tačiau dabar ETH Ciuricho mokslininkai sukūrė metodą, kuris vienu metu gali modifikuoti 25 genus ląstelėje.

Naujausiam metodui ekspertai naudojo Cas12a fermentą. Genetikai pirmą kartą istorijoje sėkmingai klonavo beždžiones. „Populiarioji mechanika“;

Nikolenka S. (2012). Genomika: problemos pareiškimas ir sekos nustatymo metodai. "Postmokslas".

31.2

Draugams!

Nuoroda

Molekulinė biologija išaugo iš biochemijos 1953 m. balandžio mėn. Jo išvaizda siejama su Jameso Watsono ir Franciso Cricko, atradusių DNR molekulės struktūrą, vardais. Šis atradimas buvo įmanomas tiriant genetiką, bakterijas ir virusų biochemiją. Molekulinio biologo profesija nėra plačiai paplitusi, tačiau šiandien jos vaidmuo šiuolaikinėje visuomenėje yra labai didelis. Daugybė ligų, įskaitant tas, kurios pasireiškia genetiniu lygmeniu, reikalauja, kad mokslininkai rastų šios problemos sprendimus.

Veiklos aprašymas

Virusai ir bakterijos nuolat mutuoja, todėl vaistai žmogui nebepadeda, o ligos tampa sunkiai gydomos. Molekulinės biologijos uždavinys – aplenkti šį procesą ir sukurti naują ligų gydymą. Mokslininkai dirba pagal nusistovėjusią schemą: blokuoja ligos priežastį, šalina paveldimumo mechanizmus ir taip palengvina paciento būklę. Visame pasaulyje yra nemažai centrų, klinikų ir ligoninių, kur molekuliniai biologai kuria naujus gydymo metodus, padedančius pacientams.

Darbo pareigos

Molekulinio biologo pareigos apima ląstelės viduje vykstančių procesų tyrimą (pavyzdžiui, DNR pokyčius auglių vystymosi metu). Ekspertai taip pat tiria DNR ypatybes, jų poveikį visam organizmui ir atskirai ląstelei. Tokie tyrimai atliekami, pavyzdžiui, PGR (polimerazės grandininės reakcijos) pagrindu, kuris leidžia analizuoti organizmą dėl infekcijų, paveldimų ligų ir nustatyti biologinę giminystę.

Karjeros augimo ypatumai

Molekulinio biologo profesija yra gana perspektyvi savo srityje ir jau pretenduoja į pirmąją vietą ateities medicinos profesijų reitinge. Beje, molekulinis biologas neprivalo visą laiką likti šioje srityje. Jei yra noras keisti profesiją, jis gali persikvalifikuoti į laboratorinės įrangos pardavimo vadybininką, pradėti kurti instrumentus įvairioms studijoms ar atidaryti savo verslą.

1. Įvadas.

Molekulinės biologijos ir genetikos dalykas, uždaviniai ir metodai. „Klasikinės“ genetikos ir mikroorganizmų genetikos svarba plėtojant molekulinę biologiją ir genų inžineriją. Geno samprata „klasikinėje“ ir molekulinėje genetikoje, jo raida. Genų inžinerijos metodologijos indėlis į molekulinės genetikos raidą. Taikomoji genų inžinerijos reikšmė biotechnologijoms.

2. Molekulinis paveldimumo pagrindas.

Ląstelės samprata, jos stambiamolekulinė sudėtis. Genetinės medžiagos prigimtis. DNR genetinės funkcijos įrodymų istorija.

2.1. Įvairių rūšių nukleino rūgštys. Nukleino rūgščių biologinės funkcijos. Cheminė struktūra, erdvinė struktūra ir fizines savybes nukleino rūgštys. Pro- ir eukariotų genetinės medžiagos struktūros ypatumai. Papildomos Watson-Crick bazinės poros. Genetinis kodas. Genetinio kodo iššifravimo istorija. Pagrindinės kodo savybės: trigubas, kodas be kablelių, išsigimimas. Kodų žodyno ypatybės, kodonų šeimos, semantiniai ir „nesąmonių“ kodonai. Žiedinės DNR molekulės ir DNR superspiralės samprata. DNR topoizomerai ir jų tipai. Topoizomerazių veikimo mechanizmai. Bakterijų DNR girazė.

2.2. DNR transkripcija. Prokariotinė RNR polimerazė, jos subvienetas ir trimatės struktūros. Sigmos faktorių įvairovė. Prokariotinio geno promotorius, jo struktūriniai elementai. Transkripcijos ciklo etapai. Transkripcijos inicijavimas, „atviro komplekso“ susidarymas, pailgėjimas ir nutraukimas. Transkripcijos slopinimas. Triptofano operono ekspresijos reguliavimas. „Riboswitches“. Transkripcijos nutraukimo mechanizmai. Neigiamas ir teigiamas transkripcijos reguliavimas. Laktozės operonas. Transkripcijos reguliavimas lambda fagų vystymesi. DNR atpažinimo pagal reguliuojančius baltymus (CAP baltymo ir lambda fago represoriaus) principai. Transkripcijos ypatumai eukariotuose. RNR apdorojimas eukariotuose. Transkriptų ribojimas, sujungimas ir poliadenilinimas. Sujungimo mechanizmai. Mažų branduolinių RNR ir baltymų faktorių vaidmuo. Alternatyvus sujungimas, pavyzdžiai.

2.3. Transliacija, jo stadijos, ribosomų funkcija. Ribosomų lokalizacija ląstelėje. Prokariotinės ir eukariotinės ribosomų rūšys; 70S ir 80S ribosomos. Ribosomų morfologija. Padalijimas į daleles (subvienetus). Nuo kodono priklausomas aminoacilo-tRNR jungimasis pailgėjimo cikle. Kodono ir antikodono sąveika. Pailgėjimo faktoriaus EF1 (EF-Tu) dalyvavimas aminoacil-tRNR prisijungime prie ribosomos. Pailgėjimo faktorius EF1B (EF-Ts), jo funkcija, reakcijų seka dalyvaujant. Antibiotikai, veikiantys nuo kodono priklausomo aminoacil-tRNR prisijungimo prie ribosomos stadiją. Aminoglikozidiniai antibiotikai (streptomicinas, neomicinas, kanamicinas, gentamicinas ir kt.), jų veikimo mechanizmas. Tetraciklinai kaip aminoacil-tRNR prisijungimo prie ribosomų inhibitoriai. Transliacijos inicijavimas. Pagrindiniai inicijavimo proceso etapai. Transliacijos iniciacija prokariotuose: iniciacijos faktoriai, iniciacijos kodonai, mažo ribosomų subvieneto RNR 3¢ galas ir Shine-Dalgarno seka mRNR. Vertimo iniciacija eukariotuose: iniciacijos faktoriai, iniciacijos kodonai, 5¢ neverčiama sritis ir nuo dangtelio priklausoma „galinė“ iniciacija. „Vidinė“ nuo dangtelio nepriklausoma iniciacija eukariotuose. Transpeptidacija. Transpeptidacijos inhibitoriai: chloramfenikolis, linkomicinas, amicetinas, streptograminai, anisomicinas. Translokacija. Pailgėjimo faktoriaus EF2 (EF-G) ir GTP įtraukimas. Translokacijos inhibitoriai: fuzido rūgštis, viomicinas, jų veikimo mechanizmai. Transliacijos nutraukimas. Sustabdyti kodonus. Prokariotų ir eukariotų baltymų nutraukimo faktoriai; dvi nutraukimo faktorių klasės ir jų veikimo mechanizmai. Prokariotų vertimo reguliavimas.

2.4. DNR replikacija ir jo genetinė kontrolė. Polimerazės, dalyvaujančios replikacijoje, jų fermentinio aktyvumo charakteristikos. DNR reprodukcijos tikslumas. Sterinės sąveikos tarp DNR bazių porų vaidmuo replikacijos metu. E. coli polimerazės I, II ir III. Polimerazės III subvienetai. Replikacijos šakutė, „vedančios“ ir „atsiliekančios“ kryptys replikacijos metu. Okazaki fragmentai. Baltymų kompleksas replikacijos šakutėje. Replikacijos inicijavimo reguliavimas E. coli. Bakterijų replikacijos nutraukimas. Plazmidės replikacijos reguliavimo ypatybės. Dviejų krypčių ir riedėjimo apskritimo replikacija.

2.5. Rekombinacija, jo tipai ir modeliai. Bendra arba homologinė rekombinacija. DNR dvigubos grandinės pertraukos, kurios inicijuoja rekombinaciją. Rekombinacijos vaidmuo po replikacinio dvigubos grandinės pertraukų taisymo. Holiday struktūra rekombinacijos modelyje. Bendrosios rekombinacijos E. coli fermentologija. RecBCD kompleksas. RecA baltymas. Rekombinacijos vaidmuo užtikrinant DNR sintezę DNR pažeidimo metu, kuris nutraukia replikaciją. Rekombinacija eukariotuose. Rekombinacijos fermentai eukariotuose. Konkrečios vietos rekombinacija. Bendrosios ir specifinės vietos rekombinacijos molekulinių mechanizmų skirtumai. Rekombinazių klasifikacija. Chromosomų pertvarkymų tipai, atlikti konkrečios vietos rekombinacijos metu. Specifinės vietos rekombinacijos reguliavimo vaidmuo bakterijose. Daugialąsčių eukariotų chromosomų konstravimas naudojant fago vietai būdingą rekombinacijos sistemą.

2.6. DNR taisymas. Reparacijos rūšių klasifikacija. Tiesioginis timino dimerų ir metilinto guanino taisymas. Pagrindų iškirpimas. Glikozilazės. Nesuporuotų nukleotidų atstatymo mechanizmas (neatitikimo taisymas). Taisomos DNR grandinės pasirinkimas. SOS remontas. DNR polimerazių, dalyvaujančių prokariotų ir eukariotų SOS atstatyme, savybės. Bakterijų „adaptyviųjų mutacijų“ sąvoka. Dvigubos grandinės lūžių taisymas: homologinė poreplikacinė rekombinacija ir nehomologinių DNR molekulės galų sujungimas. Ryšys tarp replikacijos, rekombinacijos ir taisymo procesų.

3. Mutacijos procesas.

Biocheminių mutantų vaidmuo formuojant vieno geno – vieno fermento teoriją. Mutacijų klasifikacija. Taškinės mutacijos ir chromosomų persitvarkymai, jų susidarymo mechanizmas. Spontaniška ir sukelta mutagenezė. Mutagenų klasifikacija. Molekulinis mutagenezės mechanizmas. Ryšys tarp mutagenezės ir taisymo. Mutantų identifikavimas ir atranka. Slopinimas: intrageninis, tarpgeninis ir fenotipinis.

4. Ekstrachromosominiai genetiniai elementai.

Plazmidės, jų sandara ir klasifikacija. Lyties faktorius F, jo struktūra ir gyvavimo ciklas. F faktoriaus vaidmuo mobilizuojant chromosomų perdavimą. Hfr ir F tipų donorų susidarymas." Konjugacijos mechanizmas. Bakteriofagai, jų struktūra ir gyvenimo ciklas. Virulentiniai ir vidutinio klimato bakteriofagai. Lizogenija ir transdukcija. Bendroji ir specifinė transdukcija. Migruojantys genetiniai elementai: transpozonai ir IS sekos, jų vaidmuo genetiniai mainai.DNR -transpozonai prokariotų ir eukariotų genomuose.Bakterijų IS sekos,jų sandara.IS sekos kaip bakterijų F faktoriaus komponentas,kuris lemia gebėjimą pernešti genetinę medžiagą konjugacijos metu.Bakterijų transpozonai ir eukariotiniai organizmai Tiesioginiai nereplikaciniai ir replikaciniai transpozicijos mechanizmai Transpozonų horizontalaus pernešimo samprata ir jų vaidmuo struktūriniuose persitvarkymuose (ektopinėje rekombinacijoje) ir genomo evoliucijoje.

5. Genų struktūros ir funkcijos tyrimas.

Genetinės analizės elementai. Cis-trans komplementacijos testas. Genetinis kartografavimas naudojant konjugaciją, transdukciją ir transformaciją. Genetinių žemėlapių sudarymas. Puikus genetinis žemėlapis. Fizinė genų struktūros analizė. Heterodupleksinė analizė. Apribojimų analizė. Sekos nustatymo metodai. Polimerazės grandininė reakcija. Genų funkcijos nustatymas.

6. Genų ekspresijos reguliavimas. Operono ir regulono sąvokos. Kontrolė transkripcijos inicijavimo lygyje. Promoteris, operatorius ir reguliuojantys baltymai. Teigiama ir neigiama genų ekspresijos kontrolė. Kontrolė transkripcijos nutraukimo lygyje. Katabolito valdomi operonai: laktozės, galaktozės, arabinozės ir maltozės operonų modeliai. Atenuatoriumi valdomi operonai: triptofano operono modelis. Daugiavalentis genų ekspresijos reguliavimas. Pasaulinės reguliavimo sistemos. Reguliavimo reakcija į stresą. Posttranskripcijos kontrolė. Signalo perdavimas. Reguliavimas, susijęs su RNR: mažos RNR, jutiklio RNR.

7. Genų inžinerijos pagrindai. Restrikcijos ir modifikavimo fermentai. Genų išskyrimas ir klonavimas. Vektoriai molekuliniam klonavimui. Rekombinantinės DNR projektavimo principai ir jų įvedimas į recipiento ląsteles. Taikomieji genų inžinerijos aspektai.

A). Pagrindinė literatūra:

1. Watson J., Tooze J., Rekombinantinė DNR: trumpas kursas. – M.: Mir, 1986 m.

2. Genai. – M.: Mir. 1987 m.

3. Molekulinė biologija: nukleorūgščių struktūra ir biosintezė. / Red. . – M. Aukštoji mokykla. 1990 m.

4. , – Molekulinė biotechnologija. M. 2002 m.

5. Spirino ribosomos ir baltymų biosintezė. – M.: Aukštoji mokykla, 1986 m.

b). Papildoma literatūra:

1. Hesin genomas. – M.: Mokslas. 1984 m.

2. Rybchin genų inžinerija. – Sankt Peterburgas: Sankt Peterburgo valstybinis technikos universitetas. 1999 m.

3. Patruševo genai. – M.: Nauka, 2000 m.

4. Šiuolaikinė mikrobiologija. Prokariotai (2 t.). – M.: Mir, 2005 m.

5. M. Singeris, P. Bergas. Genai ir genomai. – M.: Mir, 1998 m.

6. Ščelkunovo inžinerija. – Novosibirskas: iš Sib. Universitetas, 2004 m.

7. Stepanovo biologija. Baltymų sandara ir funkcijos. – M.: V. Š., 1996 m.

(Molecularbiologe/-biologin)

• Tipas

  Profesija po diplomo

• Atlyginimas

  3667-5623 € per mėn

Molekuliniai biologai tiria molekulinius procesus kaip visų gyvybės procesų pagrindą. Remdamiesi savo rezultatais, jie kuria biocheminių procesų panaudojimo koncepcijas, pavyzdžiui, medicininiuose tyrimuose ir diagnostikoje arba biotechnologijoje. Be to, jie gali būti susiję su vaistų gamyba, produktų kūrimu, kokybės užtikrinimu ar farmacijos konsultacijomis.

Molekulinio biologo pareigos

Molekuliniai biologai gali dirbti įvairiose srityse. Pavyzdžiui, jie susiję su mokslinių tyrimų rezultatų panaudojimu gamybai tokiose srityse kaip genų inžinerija, baltymų chemija ar farmakologija (vaistų atradimas). Chemijos ir farmacijos pramonėje jie palengvina naujai sukurtų produktų pavertimą iš mokslinių tyrimų į gamybą, produktų rinkodarą ir vartotojų konsultavimą.

Moksliniuose tyrimuose molekulinės biologijos specialistai tiria organinių junginių chemines ir fizines savybes, taip pat cheminius procesus (ląstelinės apykaitos srityje) gyvuose organizmuose ir skelbia savo tyrimų rezultatus. Aukštesnėje švietimo įstaigų jie moko studentus, ruošiasi paskaitoms ir seminarams, vertina rašto darbus, tvarko egzaminus. Savarankiška mokslinė veikla galima tik įgijus magistro ir daktaro laipsnius.

Kur dirba molekuliniai biologai?

Molekuliniai biologai randa darbo, pvz.

• mokslinių tyrimų institutuose, pavyzdžiui, mokslo ir medicinos srityse
• aukštosiose mokyklose
• chemijos ir farmacijos pramonėje
• aplinkos apsaugos skyriuose

Molekulinio biologo atlyginimas

Atlyginimo lygis, kurį gauna molekuliniai biologai Vokietijoje, yra

• nuo 3667€ iki 5623€ per mėn

(pagal įvairius statistikos biurus ir įdarbinimo tarnybas Vokietijoje)

Molekulinio biologo užduotys ir pareigos išsamiai

Kokia yra molekulinės biologijos profesijos esmė?

Molekuliniai biologai tiria molekulinius procesus kaip visų gyvybės procesų pagrindą. Remdamiesi savo rezultatais, jie kuria biocheminių procesų panaudojimo koncepcijas, pavyzdžiui, medicininiuose tyrimuose ir diagnostikoje arba biotechnologijoje. Be to, jie gali būti susiję su vaistų gamyba, produktų kūrimu, kokybės užtikrinimu ar farmacijos konsultacijomis.

Pašaukimas Molekulinė biologija

Molekulinė biologija arba molekulinė genetika nagrinėja nukleorūgščių sandaros ir biosintezės bei procesų, susijusių su šios informacijos perdavimu ir įgyvendinimu baltymų pavidalu, tyrimą. Tai leidžia suprasti skausmingus šių funkcijų sutrikimus ir galbūt juos gydyti naudojant genų terapiją. Yra biotechnologijų ir genų inžinerijos sąsajos, kuriose paprasti organizmai, pavyzdžiui, bakterijos ir mielės, kad farmakologiškai ar komerciškai svarbios medžiagos būtų prieinamos pramoniniu mastu per tikslines mutacijas.

Molekulinės biologijos teorija ir praktika

Chemijos-farmacijos pramonė siūlo daug darbo sričių molekuliniams biologams. Pramonėje jie analizuoja biotransformacijos procesus arba kuria ir tobulina aktyvių ingredientų ir farmacinių tarpinių produktų mikrobiologinės gamybos procesus. Be to, jie dalyvauja perkeliant naujai sukurtus produktus iš tyrimų į gamybą. Atlikdami tikrinimo užduotis, jie užtikrina, kad gamybos įrenginiai, įranga, analizės metodai ir visi jautrių produktų, tokių kaip vaistai, gamybos etapai visada atitiktų reikiamus kokybės standartus. Be to, molekuliniai biologai pataria naudotojams dėl naujų produktų naudojimo.

Vadovaujančioms pareigoms dažnai reikalinga magistro programa.

Molekuliniai biologai tyrimų ir švietimo srityje

Mokslo ir tyrimų srityje molekuliniai biologai dirba tokiomis temomis kaip baltymų atpažinimas, transportavimas, lankstymas ir kodifikavimas ląstelėje. Tyrimų rezultatai, kurie sudaro pagrindą praktiniam pritaikymui įvairiose srityse, yra publikuojami ir taip prieinami kitiems mokslininkams ir studentams. Konferencijose ir kongresuose diskutuoja ir pristato mokslinės veiklos rezultatus. Molekuliniai biologai skaito paskaitas ir seminarus, vadovauja moksliniam darbui, tvarko egzaminus.

Savarankiškai mokslinei veiklai būtinas magistro ir daktaro laipsnis.