Biochemia i biologia molekularna - gdzie studiować? Biologia molekularna Biolodzy molekularni w badaniach i edukacji

Biologia molekularna

nauka, która za swoje zadanie stawia sobie poznanie natury zjawisk życiowych poprzez badanie obiektów i układów biologicznych na poziomie zbliżonym do poziomu molekularnego, a w niektórych przypadkach sięgającego tej granicy. Ostatecznym celem w tym przypadku jest wyjaśnienie, w jaki sposób i w jakim stopniu charakterystyczne przejawy życia, takie jak dziedziczność, rozmnażanie się własnego rodzaju, biosynteza białek, pobudliwość, wzrost i rozwój, przechowywanie i przekazywanie informacji, przemiany energetyczne, mobilność, itp., wynikają ze struktury, właściwości i interakcji cząsteczek substancji biologicznie ważnych, przede wszystkim dwóch głównych klas biopolimerów o dużej masie cząsteczkowej (patrz Biopolimery). - białka i kwasy nukleinowe. Charakterystyczną cechą M.b. - badanie zjawisk życia na obiektach nieożywionych lub tych, które charakteryzują się najbardziej prymitywnymi przejawami życia. Są to twory biologiczne z poziomu komórkowego i poniżej: organelle subkomórkowe, takie jak izolowane jądra komórkowe, mitochondria, rybosomy, chromosomy, błony komórkowe; dalej - systemy stojące na granicy przyrody ożywionej i nieożywionej - wirusy, w tym bakteriofagi, a kończąc na cząsteczkach krytyczne komponenty materia żywa - kwasy nukleinowe (patrz Kwasy nukleinowe) i białka (patrz Białka).

M. ur. - nowa dziedzina nauk przyrodniczych, ściśle powiązana z ugruntowanymi od dawna obszarami badań, które obejmują biochemię (patrz Biochemia), biofizykę (patrz Biofizyka) i chemię bioorganiczną (patrz Chemia bioorganiczna). Rozróżnienie w tym przypadku jest możliwe jedynie na podstawie uwzględnienia stosowanych metod i zasadniczego charakteru stosowanych podejść.

Podstawę, na której rozwinął się M., położyły takie nauki jak genetyka, biochemia, fizjologia procesów elementarnych itp. Zgodnie z początkami swojego rozwoju M. b. nierozerwalnie związany z genetyką molekularną (patrz Genetyka molekularna) , która nadal stanowi ważną część M. bankowości, choć w dużej mierze uformowała się już w niezależną dyscyplinę. Izolacja M. z biochemii podyktowane jest następującymi rozważaniami. Zadania biochemii ograniczają się głównie do ustalenia udziału określonych substancji chemicznych w określonych funkcjach i procesach biologicznych oraz wyjaśnienia charakteru ich przemian; wiodącą rolę pełni informacja o reaktywności i głównych cechach budowy chemicznej wyrażonych zwyczajowo wzór chemiczny. Zatem w istocie uwaga skupia się na przekształceniach wpływających na główny wartościowość wiązania chemiczne. Tymczasem, jak podkreślał L. Pauling , w układach biologicznych i przejawach aktywności życiowej główne znaczenie należy przywiązywać nie do głównych wiązań wartościowych działających w tej samej cząsteczce, ale do różnego rodzaju wiązań, które determinują oddziaływania międzycząsteczkowe (wiązania elektrostatyczne, van der Waalsa, wodorowe itp.) .

Końcowy wynik badania biochemicznego można przedstawić w postaci układu równań chemicznych, zwykle całkowicie wyczerpanego przez ich przedstawienie na płaszczyźnie, czyli w dwóch wymiarach. Charakterystyczną cechą M.b. jest jego trójwymiarowość. Istota M.b. M. Perutz widzi to w interpretacji funkcji biologicznych w kategoriach struktury molekularnej. Można powiedzieć, że jeśli wcześniej podczas badania obiektów biologicznych trzeba było odpowiedzieć na pytanie „co”, czyli jakie substancje są obecne, oraz na pytanie „gdzie” - w jakich tkankach i narządach, to M. b. stawia sobie za zadanie uzyskanie odpowiedzi na pytanie „jak”, poznawszy istotę roli i udziału całej struktury cząsteczki, oraz na pytania „dlaczego” i „po co”, dowiedziawszy się na z jednej strony powiązania między właściwościami cząsteczki (ponownie, przede wszystkim białek i kwasów nukleinowych) a funkcjami, jakie pełni, a z drugiej strony rolą takich indywidualnych funkcji w ogólnym zespole przejawów aktywności życiowej.

Decydującą rolę odgrywają wzajemne rozmieszczenie atomów i ich zgrupowań w ogólnej strukturze makrocząsteczki, ich relacje przestrzenne. Dotyczy to zarówno poszczególnych, pojedynczych składników, jak i ogólnej konfiguracji cząsteczki jako całości. To właśnie w wyniku powstania ściśle określonej struktury objętościowej cząsteczki biopolimeru nabywają te właściwości, dzięki którym mogą służyć jako materialna podstawa funkcji biologicznych. Ta zasada podejścia do badania życia jest najbardziej charakterystyczną, typową cechą M. b.

Odniesienie historyczne. Duże znaczenie badania problemów biologicznych na poziomie molekularnym przewidział I. P. Pavlov , który mówił o ostatnim etapie nauki o życiu - fizjologii żywej cząsteczki. Samo określenie „M. B." został po raz pierwszy użyty w języku angielskim. naukowców W. Astbury'ego w zastosowaniu do badań związanych z wyjaśnieniem związku pomiędzy strukturą molekularną a strukturą fizyczną właściwości biologiczne białka włókniste, takie jak kolagen, fibryna krwi lub białka mięśni kurczliwych. Powszechnie używa się określenia „M. B." stali od początku lat pięćdziesiątych. XX wiek

pojawienie się M. jako naukę dojrzałą zwyczajowo odwołuje się do roku 1953, kiedy to J. Watson i F. Crick w Cambridge (Wielka Brytania) odkryli trójwymiarową strukturę kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Dzięki temu można było mówić o tym, jak szczegóły tej struktury determinują biologiczne funkcje DNA jako materialnego nośnika informacji dziedzicznej. W zasadzie ta rola DNA stała się znana nieco wcześniej (1944 r.) w wyniku prac amerykańskiego genetyka O. T. Avery’ego i współpracowników (patrz Genetyka Molekularna), nie było jednak wiadomo, w jakim stopniu dana funkcja zależy od struktury molekularnej DNA. Stało się to możliwe dopiero po opracowaniu w laboratoriach W. L. Bragga, J. Bernala i innych nowych zasad analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich, które zapewniły zastosowanie tej metody do szczegółowego poznania struktury przestrzennej makrocząsteczek białek i kwasów nukleinowych.

Poziomy organizacji molekularnej. W 1957 J. Kendrew ustalił trójwymiarową strukturę mioglobiny a , a w kolejnych latach uczynił to M. Perutz w odniesieniu do hemoglobiny a. Sformułowano koncepcje dotyczące różnych poziomów przestrzennej organizacji makrocząsteczek. Struktura pierwotna to sekwencja poszczególnych jednostek (monomerów) w łańcuchu powstałej cząsteczki polimeru. W przypadku białek monomerami są aminokwasy. , dla kwasów nukleinowych - Nukleotydy. Liniowa, nitkowata cząsteczka biopolimeru na skutek występowania wiązań wodorowych ma zdolność wpasowywania się w przestrzeń w określony sposób, np. w przypadku białek, jak wykazał L. Pauling, może przyjmować postać spirali. Nazywa się to strukturą wtórną. Mówi się, że struktura trzeciorzędowa ma miejsce wtedy, gdy cząsteczka posiadająca strukturę drugorzędową ulega dalszemu fałdowaniu w ten czy inny sposób, wypełniając przestrzeń trójwymiarową. Wreszcie cząsteczki o strukturze trójwymiarowej mogą wchodzić w interakcje, regularnie rozmieszczone w przestrzeni względem siebie i tworząc to, co określa się mianem struktury czwartorzędowej; jego poszczególne składniki są powszechnie nazywane podjednostkami.

Bardzo dobry przykład W jaki sposób trójwymiarowa struktura molekularna określa funkcje biologiczne cząsteczki, jest to DNA. Ma budowę podwójnej helisy: dwie nitki biegnące w przeciwnych kierunkach (antyrównoległych) są skręcone jedna wokół drugiej, tworząc podwójną helisę o wzajemnie uzupełniającym się układzie zasad, tj. tak, że na pewnej podstawie jednego łańcucha nie zawsze jest taki fundament, który Najlepszym sposobem zapewnia tworzenie wiązań wodorowych: adepina (A) tworzy parę z tyminą (T), guanina (G) - z cytozyną (C). Ta struktura tworzy optymalne warunki za najważniejsze funkcje biologiczne DNA: ilościowe zwielokrotnienie informacji dziedzicznej w procesie podziału komórki przy zachowaniu jakościowej niezmienności tego przepływu informacji genetycznej. Kiedy komórka się dzieli, nici podwójnej helisy DNA, która służy jako szablon lub szablon, rozwijają się i na każdej z nich pod działaniem enzymów syntetyzowana jest nowa, komplementarna nić. W rezultacie z jednej macierzystej cząsteczki DNA powstają dwie całkowicie identyczne cząsteczki potomne (patrz Komórka, Mitoza).

Podobnie w przypadku hemoglobiny okazało się, że jej funkcja biologiczna – zdolność odwracalnego przyłączania tlenu w płucach i następnie oddawania go tkankom – jest ściśle powiązana z cechami trójwymiarowej budowy hemoglobiny i jej zmianami w proces realizacji swojej fizjologicznej roli. Podczas wiązania i dysocjacji O2 zachodzą przestrzenne zmiany w konformacji cząsteczki hemoglobiny, co prowadzi do zmiany powinowactwa zawartych w niej atomów żelaza do tlenu. Zmiany wielkości cząsteczki hemoglobiny przypominające zmiany objętości klatka piersiowa podczas oddychania wolno nazywać hemoglobinę „płucami molekularnymi”.

Jedną z najważniejszych cech żywych obiektów jest ich zdolność do precyzyjnego regulowania wszelkich przejawów aktywności życiowej. Najważniejszy wkład M. odkrycia naukowe należy uznać za odkrycie nowego, nieznanego wcześniej mechanizmu regulacyjnego, zwanego efektem allosterycznym. Polega ona na zdolności substancji o niskiej masie cząsteczkowej – tzw. ligandy - w celu modyfikacji specyficznych funkcji biologicznych makrocząsteczek, przede wszystkim białek działających katalitycznie - enzymów, hemoglobiny, białek receptorowych biorących udział w budowie błon biologicznych (patrz Błony biologiczne), w transmisji synaptycznej (patrz Synapsy) itp.

Trzy strumienie biotyczne. W świetle pomysłów M. całość zjawisk życia można rozpatrywać jako wynik połączenia trzech przepływów: przepływu materii, który znajduje swój wyraz w zjawiskach metabolizmu, tj. asymilacji i dysymilacji; przepływ energii, który jest siłą napędową wszystkich przejawów życia; i przepływ informacji, przenikający nie tylko całą różnorodność procesów rozwoju i istnienia każdego organizmu, ale także ciągły ciąg kolejnych pokoleń. To właśnie idea przepływu informacji, wprowadzona do doktryny świata żywego poprzez rozwój biomateriałów, pozostawia na niej swój specyficzny, niepowtarzalny ślad.

Najważniejsze osiągnięcia biologii molekularnej. Szybkość, zakres i głębokość oddziaływania M. postęp w zrozumieniu podstawowych problemów badania przyrody ożywionej słusznie porównuje się na przykład z wpływem teorii kwantowej na rozwój fizyki atomowej. O tym rewolucyjnym wpływie zadecydowały dwa nierozerwalnie powiązane warunki. Z jednej strony decydującą rolę odegrało odkrycie możliwości badania najważniejszych przejawów aktywności życiowej w najprostszych warunkach, zbliżając się do rodzaju eksperymentów chemicznych i fizycznych. Z drugiej strony, w konsekwencji tej okoliczności, nastąpiło szybkie zaangażowanie znacznej liczby przedstawicieli nauk ścisłych – fizyków, chemików, krystalografów, a następnie matematyków – w rozwój problemów biologicznych. W sumie te okoliczności zdeterminowały niezwykle szybkie tempo rozwoju M. b., liczbę i znaczenie jego sukcesów, osiągniętych w ciągu zaledwie dwóch dekad. Oto niepełna lista tych osiągnięć: ujawnienie struktury i mechanizmu biologicznej funkcji DNA, wszystkich typów RNA i rybosomów (patrz Rybosomy) , ujawnienie kodu genetycznego (patrz kod genetyczny) ; odkrycie odwrotnej transkrypcji (patrz transkrypcja ) , tj. synteza DNA na matrycy RNA; badanie mechanizmów działania barwników oddechowych; odkrycie struktury trójwymiarowej i jej funkcjonalnej roli w działaniu enzymów (patrz Enzymy) , zasada syntezy matrix i mechanizmy biosyntezy białek; ujawnienie struktury wirusów (patrz Wirusy) i mechanizmów ich replikacji, pierwotnej i częściowo przestrzennej struktury przeciwciał; izolacja poszczególnych genów , chemiczna, a następnie biologiczna (enzymatyczna) synteza genów, w tym ludzkich, poza komórką (in vitro); przenoszenie genów z jednego organizmu do drugiego, w tym do komórek ludzkich; szybko postępujące rozszyfrowanie budowy chemicznej coraz większej liczby pojedynczych białek, głównie enzymów, a także kwasów nukleinowych; odkrycie zjawisk „samoorganizacji” niektórych obiektów biologicznych o coraz większej złożoności, począwszy od cząsteczek kwasów nukleinowych, a skończywszy na wieloskładnikowych enzymach, wirusach, rybosomach itp.; wyjaśnienie allosterycznych i innych podstawowych zasad regulacji funkcji i procesów biologicznych.

Redukcjonizm i integracja. M. ur. jest końcowym etapem tego kierunku w badaniu obiektów żywych, który określa się mianem „redukcjonizmu”, czyli chęci zredukowania złożonych funkcji życiowych do zjawisk zachodzących na poziomie molekularnym, a zatem dostępnych do badania metodami fizyki i chemii . Osiągnięto M.b. sukcesy świadczą o skuteczności tego podejścia. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę, że w warunkach naturalnych w komórce, tkance, narządzie i całym organizmie mamy do czynienia z układami o coraz większej złożoności. Systemy takie powstają z elementów niższego poziomu poprzez ich regularne łączenie w całości, nabywanie organizacji strukturalnej i funkcjonalnej oraz nabywanie nowych właściwości. Dlatego też, ponieważ wiedza o wzorcach dostępnych do ujawnienia na poziomie molekularnym i sąsiednich jest szczegółowa, przed M.b. pojawia się zadanie zrozumienia mechanizmów integracji jako linii dalszego rozwoju w badaniu zjawisk życia. Punktem wyjścia jest tu badanie sił oddziaływań międzycząsteczkowych – wiązań wodorowych, van der Waalsa, sił elektrostatycznych itp. Dzięki swojemu połączeniu i przestrzennemu rozmieszczeniu tworzą one coś, co można nazwać „informacją integracyjną”. Należy go traktować jako jedną z głównych części wspomnianego już przepływu informacji. Na terenie M. przykładami integracji mogą być zjawiska samoorganizacji złożonych formacji z mieszaniny ich części składowych. Obejmuje to na przykład tworzenie białek wieloskładnikowych z ich podjednostek, tworzenie wirusów z ich części składowych - białek i kwasów nukleinowych, przywracanie pierwotnej struktury rybosomów po oddzieleniu ich składników białkowych i nukleinowych itp. badanie tych zjawisk jest bezpośrednio związane ze znajomością głównych zjawisk „rozpoznawania” cząsteczek biopolimeru. Chodzi o to, aby dowiedzieć się, jakie kombinacje aminokwasów – w cząsteczkach białek czy nukleotydów – w kwasach nukleinowych oddziałują ze sobą podczas procesów asocjacji poszczególnych cząsteczek z utworzeniem kompleksów o ściśle określonym, określonym z góry składzie i strukturze. Należą do nich procesy tworzenia złożonych białek z ich podjednostek; ponadto selektywne oddziaływanie między cząsteczkami kwasu nukleinowego, na przykład transportem i macierzą (w tym przypadku odkrycie kodu genetycznego znacznie poszerzyło nasze informacje); wreszcie jest to tworzenie wielu rodzajów struktur (na przykład rybosomów, wirusów, chromosomów), w których uczestniczą zarówno białka, jak i kwasy nukleinowe. Ujawnienie odpowiednich wzorców, znajomość „języka” leżącego u podstaw tych interakcji, jest jednym z nich krytyczne obszary M. b., wciąż oczekująca na swoje opracowanie. Obszar ten zaliczany jest do szeregu problemów fundamentalnych dla całej biosfery.

Problemy biologii molekularnej. Wraz z określonymi ważnymi zadaniami M. miałby. (znajomość praw „rozpoznawania”, samoorganizacji i integracji) faktycznym kierunkiem poszukiwań naukowych na najbliższą przyszłość jest rozwój metod pozwalających na rozszyfrowanie struktury, a następnie trójwymiarowej, przestrzennej organizacji wielkocząsteczkowych kwasy nukleinowe. Osiągnięto to obecnie w odniesieniu do ogólnego planu trójwymiarowej struktury DNA (podwójna helisa), ale bez dokładnej wiedzy na temat jego pierwotnej struktury. Szybki postęp w rozwoju metod analitycznych pozwala z pewnością oczekiwać osiągnięcia tych celów w ciągu najbliższych lat. Tutaj oczywiście główny wkład wnoszą przedstawiciele nauk pokrewnych, przede wszystkim fizyki i chemii. Wszystkie najważniejsze metody, których zastosowanie zapewniło pojawienie się i sukces M. b., zostały zaproponowane i opracowane przez fizyków (ultrawirowanie, analiza dyfrakcji rentgenowskiej, mikroskopia elektronowa, jądrowy rezonans magnetyczny itp.). Prawie wszystkie nowe fizyczne podejścia eksperymentalne (na przykład zastosowanie komputerów, synchrotronu lub bremsstrahlunga, promieniowania, technologii laserowej i innych) otwierają nowe możliwości dogłębnego badania problemów M. b. Do najważniejszych zadań o charakterze praktycznym, na które odpowiedzi oczekuje się od M. b., należy przede wszystkim problem molekularnych podstaw rozwoju nowotworu złośliwego, a następnie – sposoby zapobiegania i być może przezwyciężania chorób dziedzicznych – ” choroby molekularne” (patrz Choroby molekularne ). Duże znaczenie będzie miało wyjaśnienie molekularnych podstaw katalizy biologicznej, czyli działania enzymów. Wśród najważniejszych nowoczesne trendy M. ur. powinien obejmować chęć rozszyfrowania molekularnych mechanizmów działania hormonów (patrz. Hormony) , substancji toksycznych i leczniczych, a także poznanie szczegółów budowy molekularnej i funkcjonowania takich struktur komórkowych jak błony biologiczne biorące udział w regulacji procesów przenikania i transportu substancji. Bardziej odległe cele M. b. - wiedza o naturze procesów nerwowych, mechanizmach pamięci (patrz Pamięć) itp. Jedna z ważnych pojawiających się sekcji M. b. - tak zwana. inżynieria genetyczna, która za swoje zadanie stawia celowe działanie aparatu genetycznego (genomu) organizmów żywych, począwszy od drobnoustrojów i niższych (jednokomórkowych), a skończywszy na człowieku (w tym drugim przypadku przede wszystkim w celu radykalnego leczenia choroby dziedziczne (patrz. Choroby dziedziczne) i korekta wad genetycznych ). O szerszych ingerencjach w podstawy genetyczne człowieka będzie można mówić dopiero w mniej lub bardziej odległej przyszłości, gdyż w tym przypadku pojawiają się poważne przeszkody, zarówno techniczne, jak i fundamentalne. O drobnoustrojach, roślinach i jest to możliwe, a strona - x. W przypadku zwierząt takie perspektywy są bardzo zachęcające (np. uzyskanie odmian roślin uprawnych, które mają aparat do wiązania azotu z powietrza i nie potrzebują nawozów). Opierają się one na już osiągniętych sukcesach: izolacji i syntezie genów, przenoszeniu genów z jednego organizmu do drugiego, wykorzystaniu kultur komórek masowych jako producentów substancji o znaczeniu gospodarczym lub medycznym.

Organizacja badań z zakresu biologii molekularnej. Szybki rozwój M. doprowadziło do powstania dużej liczby wyspecjalizowanych ośrodków badawczych. Ich liczba szybko rośnie. Największe: w Wielkiej Brytanii – Laboratorium Biologii Molekularnej w Cambridge, Instytut Królewski w Londynie; we Francji – instytuty biologii molekularnej w Paryżu, Marsylii, Strasburgu, Instytut Pasteura; w USA - oddziały M.b. na uniwersytetach i instytutach w Bostonie (Harvard University, Massachusetts Institute of Technology), San Francisco (Berkeley), Los Angeles (California Institute of Technology), Nowym Jorku (Rockefeller University), instytutach zdrowia w Bethesda itp.; w Niemczech – instytuty Maxa Plancka, uniwersytety w Getyndze i Monachium; w Szwecji – Instytut Karolinska w Sztokholmie; w NRD – Centralny Instytut Biologii Molekularnej w Berlinie, instytuty w Jenie i Halle; na Węgrzech – Centrum Biologiczne w Szeged. W ZSRR pierwszym wyspecjalizowanym instytutem M. byłby. powstał w Moskwie w 1957 roku w systemie Akademii Nauk ZSRR (patrz. ); następnie utworzono: Instytut Chemii Bioorganicznej Akademii Nauk ZSRR w Moskwie, Instytut Białka w Puszczynie, Zakład Biologiczny Instytutu Energii Atomowej (Moskwa) oraz zakłady M.b. w instytutach Syberyjskiego Oddziału Akademii Nauk w Nowosybirsku, Międzywydziałowym Laboratorium Chemii Bioorganicznej Uniwersytetu Moskiewskiego, Sektorze (później Instytucie) Biologii Molekularnej i Genetyki Akademii Nauk Ukraińskiej SRR w Kijowie ; znacząca praca nad M.b. prowadzone jest w Instytucie Związków Makrocząsteczkowych w Leningradzie, w szeregu wydziałów i laboratoriów Akademii Nauk ZSRR oraz innych wydziałach.

Wraz z pojedynczymi ośrodkami naukowymi powstawały organizacje o szerszej skali. W Europie Zachodniej powstała Europejska Organizacja ds. M.. (EMBO), w którym uczestniczy ponad 10 krajów. W ZSRR w 1966 roku przy Instytucie Biologii Molekularnej powołano Radę Naukową ds. M. B., która jest ośrodkiem koordynującym i organizującym w tej dziedzinie wiedzy. Opublikował obszerny cykl monografii poświęconych najważniejszym działom M. B., regularnie organizowane są „szkoły zimowe” dotyczące M. B., odbywają się konferencje i sympozja aktualne kwestie M. ur. W przyszłości porady naukowe dotyczące M. powstały w Akademii Nauk Medycznych ZSRR i wielu republikańskich akademiach nauk. Czasopismo Molecular Biology ukazuje się od 1966 roku (6 numerów rocznie).

W ZSRR na dość krótko powiększyła się znaczna grupa badaczy zajmujących się M.; są to naukowcy starszego pokolenia, którzy częściowo przenieśli swoje zainteresowania z innych dziedzin; w większości jest to liczna grupa młodych badaczy. Spośród czołowych naukowców, którzy brali czynny udział w powstaniu i rozwoju M. b. w ZSRR można wymienić takich jak A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunshtein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. Nowe osiągnięcia M. i genetyka molekularna będą promowane uchwałą Komitetu Centralnego KPZR i Rady Ministrów ZSRR (maj 1974) „W sprawie działań mających na celu przyspieszenie rozwoju biologii molekularnej i genetyki molekularnej oraz wykorzystania ich osiągnięć w krajowym gospodarka."

Oświetlony.: Wagner R., Mitchell G., Genetyka i metabolizm, przeł. z języka angielskiego, M., 1958; Szent-Gyorgy i A., Bioenergetyka, przeł. z języka angielskiego, M., 1960; Anfinsen K., Molekularne podstawy ewolucji, przeł. z języka angielskiego, M., 1962; Stanley W., Valens E., Wirusy i natura życia, przeł. z języka angielskiego, M., 1963; Genetyka molekularna, przeł. Z. Angielski, część 1, M., 1964; Volkenstein M.V., Cząsteczki i życie. Wprowadzenie do biofizyki molekularnej, M., 1965; Gaurowitz F., Chemia i funkcje białek, przeł. z języka angielskiego, M., 1965; Bresler S. E., Wprowadzenie do biologii molekularnej, wyd. 3, M. - L., 1973; Ingram V., Biosynteza makrocząsteczek, przeł. z języka angielskiego, M., 1966; Engelhardt V. A., Biologia molekularna, w książce: Rozwój biologii w ZSRR, M., 1967; Wprowadzenie do biologii molekularnej, przeł. z języka angielskiego, M., 1967; Watson, J., Biologia molekularna genu, przeł. z języka angielskiego, M., 1967; Finean J., Ultrastruktury biologiczne, przeł. z języka angielskiego, M., 1970; Bendoll, J., Mięśnie, cząsteczki i ruch, przeł. z języka angielskiego, M., 1970; Ichas M., Kod biologiczny, przeł. z języka angielskiego, M., 1971; Biologia molekularna wirusów, M., 1971; Molekularne podstawy biosyntezy białek, M., 1971; Bernhard S., Struktura i funkcja enzymów, przeł. z języka angielskiego, M., 1971; Spirin A. S., Gavrilova L. P., Ribosome, wyd. 2, M., 1971; Frenkel-Konrat H., Chemia i biologia wirusów, przeł. z języka angielskiego, M., 1972; Smith C., Hanewalt F., Fotobiologia molekularna. Procesy inaktywacji i regeneracji, przeł. z języka angielskiego, M., 1972; Harris G., Podstawy genetyki biochemicznej człowieka, przeł. z języka angielskiego, M., 1973.

V. A. Engelhardta.

Wielka encyklopedia radziecka. - M .: Encyklopedia radziecka. 1969-1978 .

Komiks na konkurs „bio/mol/tekst”: Dziś probówka biologa molekularnego poprowadzi Cię przez świat niesamowitej nauki - biologii molekularnej! Zaczniemy od historycznej wycieczki po etapach jego rozwoju, opiszemy główne odkrycia i eksperymenty od 1933 roku. Opiszemy także jasno główne metody biologii molekularnej, które umożliwiły manipulowanie genami, zmianę ich i izolację. Pojawienie się tych metod stanowiło silny impuls do rozwoju biologii molekularnej. Pamiętajmy też o roli biotechnologii i poruszajmy jeden z najpopularniejszych tematów w tym obszarze – edycję genomu z wykorzystaniem systemów CRISPR/Cas.

Sponsorem generalnym konkursu i partnerem nominacji Skoltech jest firma .

Sponsorem konkursu jest firma Diaem: największy dostawca sprzętu, odczynników i materiałów eksploatacyjnych do badań i produkcji biologicznej.

Firma była sponsorem nagrody publiczności.

„Książka” sponsorem konkursu – „Alpina non-fiction”

1. Wstęp. Istota biologii molekularnej

Zajmuje się badaniem podstaw czynności życiowych organizmów na poziomie makrocząsteczek. Celem biologii molekularnej jest ustalenie roli i mechanizmów funkcjonowania tych makrocząsteczek w oparciu o wiedzę o ich budowie i właściwościach.

Historycznie rzecz biorąc, biologia molekularna powstała podczas rozwoju dziedzin biochemii zajmujących się badaniem kwasów nukleinowych i białek. Chociaż biochemia zajmuje się badaniem metabolizmu, skład chemicznyżywe komórki, organizmy i zachodzące w nich procesy chemiczne, biologia molekularna skupia się na badaniu mechanizmów przekazywania, reprodukcji i przechowywania informacji genetycznej.

Przedmiotem badań biologii molekularnej są same kwasy nukleinowe - dezoksyrybonukleinowy (DNA), rybonukleinowy (RNA) - i białka, a także ich kompleksy makromolekularne - chromosomy, rybosomy, układy wieloenzymowe, które zapewniają biosyntezę białek i kwasów nukleinowych. Biologia molekularna również graniczy z przedmiotami badań i częściowo pokrywa się z genetyką molekularną, wirusologią, biochemią i szeregiem innych pokrewnych nauk biologicznych.

2. Wycieczka historyczna przez etapy rozwoju biologii molekularnej

Jako odrębna dziedzina biochemii biologia molekularna zaczęła się rozwijać w latach 30. ubiegłego wieku. Już wtedy konieczne stało się zrozumienie fenomenu życia na poziomie molekularnym, aby zbadać procesy przekazywania i przechowywania informacji genetycznej. Właśnie w tym czasie postawiono zadanie biologii molekularnej w badaniu właściwości, struktury i interakcji białek i kwasów nukleinowych.

Termin „biologia molekularna” został po raz pierwszy użyty w r 1933 rok William Astbury podczas badań białek fibrylarnych (kolagen, fibryna krwi, białka mięśni kurczliwych). Astbury badał związek między strukturą molekularną a biologicznymi, fizycznymi właściwościami tych białek. Na początku powstania biologii molekularnej uważano, że RNA jest składnikiem wyłącznie roślin i grzybów, a DNA – wyłącznie zwierząt. I w 1935 Odkrycie DNA grochu przez Andrieja Biełozerskiego doprowadziło do ustalenia faktu, że DNA znajduje się w każdej żywej komórce.

W 1940 Kolosalnym osiągnięciem było ustalenie przez George'a Beadle'a i Edwarda Tathama związku przyczynowego między genami i białkami. Hipoteza naukowców „Jeden gen – jeden enzym” stała się podstawą koncepcji, że specyficzna struktura białka jest regulowana przez geny. Uważa się, że informacja genetyczna jest kodowana przez specjalną sekwencję nukleotydów w DNA, która reguluje pierwotną strukturę białek. Później udowodniono, że wiele białek ma strukturę czwartorzędową. W tworzeniu takich struktur biorą udział różne łańcuchy peptydowe. Na tej podstawie przepis dotyczący związku między genem a enzymem został nieco przekształcony i obecnie brzmi jak „Jeden gen – jeden polipeptyd”.

W 1944 W 1999 roku amerykański biolog Oswald Avery i jego współpracownicy (Colin McLeod i McLean McCarthy) udowodnili, że substancją powodującą transformację bakterii jest DNA, a nie białka. Eksperyment posłużył jako dowód na rolę DNA w przekazywaniu informacji dziedzicznej, przekreślając przestarzałą wiedzę na temat białkowej natury genów.

We wczesnych latach pięćdziesiątych Frederick Sanger wykazał, że łańcuch białkowy to unikalna sekwencja reszt aminokwasowych. W 1951 I 1952 lat naukowiec ustalił pełną sekwencję dwóch łańcuchów polipeptydowych – insuliny bydlęcej W(30 reszt aminokwasowych) i A(odpowiednio 21 reszt aminokwasowych).

Mniej więcej w tym samym czasie, w 1951–1953 Erwin Chargaff sformułował zasady dotyczące proporcji zasad azotowych w DNA. Zgodnie z zasadą, niezależnie od różnic gatunkowych organizmów żywych w ich DNA, ilość adeniny (A) jest równa ilości tyminy (T), a ilość guaniny (G) jest równa ilości cytozyny (C).

W 1953 udowodnił genetyczną rolę DNA. James Watson i Francis Crick na podstawie zdjęcia rentgenowskiego DNA uzyskanego przez Rosalind Franklin i Maurice’a Wilkinsa ustalili strukturę przestrzenną DNA i wysunęli potwierdzone później założenie dotyczące mechanizmu jego replikacji (podwojenia), który leży u podstaw dziedziczności.

1958 rok - powstanie przez Francisa Cricka centralnego dogmatu biologii molekularnej: transfer informacji genetycznej przebiega w kierunku DNA → RNA → białko.

Istota dogmatu polega na tym, że w komórkach następuje pewien ukierunkowany przepływ informacji z DNA, które z kolei jest oryginalnym tekstem genetycznym, składającym się z czterech liter: A, T, G i C. Jest on zapisany w DNA podwójna helisa w postaci sekwencji tych liter - nukleotydów.

Ten tekst jest w trakcie transkrypcji. I proces ten nazywa się transkrypcja. Podczas tego procesu syntetyzowany jest RNA, który jest identyczny z tekstem genetycznym, z tą różnicą, że w RNA zamiast T występuje U (uracyl).

To RNA nazywa się informacyjny RNA (mRNA), Lub matryca (mRNA). Audycja mRNA przeprowadza się przy użyciu kodu genetycznego w postaci sekwencji tripletowych nukleotydów. Podczas tego procesu tekst kwasów nukleinowych DNA i RNA jest tłumaczony z czteroliterowego tekstu na dwudziestoliterowy tekst aminokwasów.

Jest tylko dwadzieścia naturalnych aminokwasów, a w tekście kwasów nukleinowych znajdują się cztery litery. Z tego powodu istnieje tłumaczenie z alfabetu czteroliterowego na alfabet dwudziestoliterowy poprzez kod genetyczny, w którym każde trzy nukleotydy odpowiadają aminokwasowi. Można więc z czterech liter ułożyć całe 64 trzyliterowe kombinacje, w dodatku aminokwasów jest 20. Z tego wynika, że ​​kod genetyczny musi koniecznie posiadać właściwość degeneracji. Jednak w tym czasie kod genetyczny nie był znany, poza tym nawet nie zaczęto go rozszyfrowywać, ale Crick sformułował już swój główny dogmat.

Niemniej jednak istniała pewność, że kod musi istnieć. Do tego czasu udowodniono, że kod ten miał znak trójkowy. Oznacza to, że konkretnie trzy litery w kwasach nukleinowych ( kodony) odpowiadają dowolnemu aminokwasowi. Jest ich 64, kodują one 20 aminokwasów. Oznacza to, że każdemu aminokwasowi odpowiada kilka kodonów jednocześnie.

Można zatem stwierdzić, że centralnym dogmatem jest postulat mówiący, że w komórce następuje ukierunkowany przepływ informacji: DNA → RNA → białko. Crick podkreślił główną treść centralnego dogmatu: nie może nastąpić odwrotny przepływ informacji, białko nie jest zdolne do zmiany informacji genetycznej.

Oto główne znaczenie centralnego dogmatu: białko nie jest w stanie zmieniać i przekształcać informacji w DNA (lub RNA), przepływ zawsze odbywa się tylko w jednym kierunku.

Jakiś czas później odkryto nowy enzym, który nie był znany w momencie formułowania centralnego dogmatu: odwrotna transkryptaza który syntetyzuje DNA z RNA. Enzym odkryto w wirusach, w których informacja genetyczna jest zakodowana w RNA, a nie w DNA. Takie wirusy nazywane są retrowirusami. Mają otoczkę wirusową z zamkniętym w niej RNA i specjalny enzym. Enzym jest odwrotną transkryptazą, która syntetyzuje DNA zgodnie z matrycą tego wirusowego RNA, a DNA ten służy następnie jako materiał genetyczny do dalszego rozwoju wirusa w komórce.

Oczywiście to odkrycie wywołało wielki szok i wiele kontrowersji wśród biologów molekularnych, ponieważ uważano, że w oparciu o centralny dogmat tak nie może być. Jednak Crick od razu wyjaśnił, że nigdy nie powiedział, że to niemożliwe. Powiedział tylko, że nigdy nie może nastąpić przepływ informacji z białka do kwasów nukleinowych, a już wewnątrz kwasów nukleinowych możliwe są wszelkiego rodzaju procesy: synteza DNA na DNA, DNA na RNA, RNA na DNA i RNA na RNA.

Po sformułowaniu centralnego dogmatu nadal pozostawało wiele pytań: w jaki sposób alfabet czterech nukleotydów tworzących DNA (lub RNA) koduje 20-literowy alfabet aminokwasów tworzących białka? Jaka jest istota kodu genetycznego?

Pierwsze poglądy na temat istnienia kodu genetycznego sformułował Alexander Downes ( 1952 d.) i Georgy Gamov ( 1954 G.). Naukowcy wykazali, że sekwencja nukleotydów musi zawierać co najmniej trzy połączenia. Później udowodniono, że taka sekwencja składa się z trzech nukleotydów, tzw kodon (tryplet). Jednakże kwestia, które nukleotydy są odpowiedzialne za włączenie którego aminokwasu do cząsteczki białka, pozostawała otwarta aż do 1961 roku.

I w 1961 Marshall Nirenberg wraz z Heinrichem Mattei używali systemu do nadawania in vitro. Jako matrycę zastosowano oligonukleotyd. Zawierał jedynie reszty uracylu, a syntetyzowany z niego peptyd zawierał wyłącznie aminokwas fenyloalaninę. W ten sposób po raz pierwszy ustalono znaczenie kodonu: kodon UUU koduje fenyloalaninę. Później Har Koran odkrył, że sekwencja nukleotydów UCUCUCUCUCUC koduje zestaw aminokwasów seryna-leucyna-seryna-leucyna. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki dziełom Nirenberga i Koranu 1965 roku kod genetyczny został całkowicie rozwikłany. Okazało się, że każdy triplet koduje konkretny aminokwas. Kolejność kodonów określa kolejność aminokwasów w białku.

Główne zasady funkcjonowania białek i kwasów nukleinowych zostały sformułowane na początku lat 70-tych. Stwierdzono, że synteza białek i kwasów nukleinowych przebiega zgodnie z mechanizmem macierzowym. Cząsteczka szablonowa niesie zakodowaną informację o sekwencji aminokwasów lub nukleotydów. Podczas replikacji lub transkrypcji matrycą jest DNA, a podczas translacji i odwrotnej transkrypcji jest to mRNA.

W ten sposób stworzono przesłanki do powstania dziedzin biologii molekularnej, w tym inżynierii genetycznej. W 1972 roku Paul Berg i współpracownicy opracowali technologię klonowania molekularnego. Naukowcy uzyskali pierwszy rekombinowany DNA in vitro. Te wybitne odkrycia stworzyły podstawę nowego kierunku w biologii molekularnej i 1972 od tego czasu rok ten uznano za datę narodzin inżynierii genetycznej.

3. Metody biologii molekularnej

Ogromny postęp w badaniach nad kwasami nukleinowymi, strukturą DNA i biosyntezą białek doprowadził do powstania szeregu metod mających ogromne znaczenie w medycynie, rolnictwo i nauka w ogóle.

Po przestudiowaniu kodu genetycznego oraz podstawowych zasad przechowywania, przekazywania i wdrażania informacji dziedzicznej konieczne stały się specjalne metody dla dalszego rozwoju biologii molekularnej. Metody te umożliwiłyby manipulowanie, modyfikowanie i izolację genów.

Pojawienie się takich metod nastąpiło w latach 70. i 80. XX wieku. Dało to ogromny impuls do rozwoju biologii molekularnej. Przede wszystkim metody te są bezpośrednio związane z wytwarzaniem genów i ich wprowadzaniem do komórek innych organizmów, a także możliwością określenia sekwencji nukleotydów w genach.

3.1. Elektroforeza DNA

Elektroforeza DNA to podstawowa metoda pracy z DNA. Elektroforeza DNA jest stosowana wraz z prawie wszystkimi innymi metodami w celu wyizolowania pożądanych cząsteczek i dalszej analizy wyników. Sama metoda elektroforezy żelowej służy do rozdzielania fragmentów DNA według długości.

Przed lub po elektroforezie żel poddaje się działaniu barwników, które mogą wiązać się z DNA. Barwniki fluoryzują w świetle ultrafioletowym, tworząc wzór pasm w żelu. Aby określić długość fragmentów DNA, można je porównać znaczniki- zestawy fragmentów o standardowych długościach, które nakładamy na ten sam żel.

Fluorescencyjne białka

Podczas badania organizmów eukariotycznych wygodnie jest stosować białka fluorescencyjne jako geny markerowe. Gen pierwszego białka zielonej fluorescencji ( białko zielonej fluorescencji, GFP) wyizolowany z meduz Aqeuorea Wiktoria a następnie wprowadzane do różnych organizmów. Następnie wyizolowano geny białek fluorescencyjnych o innych kolorach: niebieskim, żółtym, czerwonym. Aby uzyskać białka o interesujących właściwościach, takie geny zostały sztucznie zmodyfikowane.

Generalnie najważniejszymi narzędziami pracy z cząsteczką DNA są enzymy dokonujące szeregu transformacji DNA w komórkach: Polimeraza DNA, Ligazy DNA I restryktazy (endonukleazy restrykcyjne).

transgeneza

transgeneza Nazywa się to przeniesieniem genów z jednego organizmu do drugiego. Takie organizmy nazywane są transgeniczny.

Rekombinowane preparaty białkowe uzyskuje się właśnie poprzez przeniesienie genów do komórek mikroorganizmu. Większość tych białek to tzw interferony, insulina, niektóre hormony białkowe, a także białka do produkcji szeregu szczepionek.

W innych przypadkach wykorzystuje się hodowle komórkowe eukariontów lub zwierząt transgenicznych, głównie hodowlanych, które wydzielają do mleka niezbędne białka. W ten sposób uzyskuje się przeciwciała, czynniki krzepnięcia krwi i inne białka. Metodą transgenezy uzyskuje się plony odporne na szkodniki i herbicydy, a ścieki oczyszcza się za pomocą mikroorganizmów transgenicznych.

Oprócz tego, technologie transgeniczne są niezbędne w badaniach naukowych, ponieważ rozwój biologii jest szybszy dzięki zastosowaniu metod modyfikacji i transferu genów.

Ograniczacze

Sekwencje rozpoznawane przez enzymy restrykcyjne są symetryczne, więc wszelkiego rodzaju pęknięcia mogą wystąpić albo w środku takiej sekwencji, albo wraz z przesunięciem jednej lub obu nici cząsteczki DNA.

Podczas dzielenia dowolnego DNA za pomocą enzymu restrykcyjnego sekwencje na końcach fragmentów będą takie same. Będą mogli ponownie się połączyć, ponieważ mają uzupełniające się witryny.

Możesz uzyskać pojedynczą cząsteczkę, łącząc te sekwencje za pomocą Ligazy DNA. Dzięki temu możliwe jest połączenie fragmentów dwóch różnych DNA i otrzymanie rekombinowanego DNA.

3.2. PCR

Metoda opiera się na zdolności polimeraz DNA do kompletowania drugiej nici DNA wzdłuż nici komplementarnej w taki sam sposób, jak w procesie replikacji DNA w komórce.

3.3. sekwencjonowanie DNA

Szybki rozwój metody sekwencjonowania pozwala skutecznie określić cechy badanego organizmu już na poziomie jego genomu. Główną zaletą takich technologii genomowych i postgenomicznych jest zwiększenie możliwości badawczych i studyjnych. charakter genetyczny choroby ludzkie, w celu wstępnego podjęcia niezbędne środki i unikaj chorób.

Dzięki badaniom na dużą skalę możliwe jest uzyskanie niezbędnych danych na temat różnych cech genetycznych różnych grup ludzi, a tym samym rozwój metod medycyny. Z tego powodu identyfikacja genetycznej predyspozycji do różnych chorób jest dziś bardzo popularna.

Podobne metody mają szerokie zastosowanie praktycznie na całym świecie, także w Rosji. W związku z postępem naukowym metody tego typu są wprowadzane do badań medycznych i m.in praktyka lekarska ogólnie.

4. Biotechnologia

Biotechnologia- dyscyplina badająca możliwości wykorzystania organizmów żywych lub ich układów do rozwiązywania problemów technologicznych, a także tworzenia organizmów żywych za pomocą pożądane właściwości poprzez inżynierię genetyczną. Biotechnologia wykorzystuje metody chemii, mikrobiologii, biochemii i oczywiście biologii molekularnej.

Główne kierunki rozwoju biotechnologii (wprowadzane są zasady procesów biotechnologicznych do produkcji wszystkich gałęzi przemysłu):

1. Tworzenie i produkcja nowych rodzajów żywności i pasz dla zwierząt.
2. Pozyskiwanie i badanie nowych szczepów mikroorganizmów.
3. Hodowla nowych odmian roślin, a także tworzenie środków ochrony roślin przed chorobami i szkodnikami.
4. Zastosowanie metod biotechnologicznych dla potrzeb ekologii. Takie metody biotechnologiczne są stosowane w recyklingu odpadów, oczyszczaniu ścieków, sanitacji powietrza wylotowego i gleby.
5. Produkcja witamin, hormonów, enzymów, surowic na potrzeby medycyny. Biotechnolodzy rozwijają się coraz lepiej leki wcześniej uważana za nieuleczalną.

Najważniejszym osiągnięciem biotechnologii jest inżynieria genetyczna.

Inżynieria genetyczna- zespół technologii i metod otrzymywania rekombinowanych cząsteczek RNA i DNA, izolowania poszczególnych genów z komórek, manipulacji genami i wprowadzania ich do innych organizmów (bakterie, drożdże, ssaki). Organizmy takie są w stanie wytworzyć produkty końcowe o pożądanych, zmodyfikowanych właściwościach.

Metody inżynierii genetycznej mają na celu konstruowanie nowych, nieistniejących wcześniej w przyrodzie kombinacji genów.

Mówiąc o osiągnięciach inżynierii genetycznej, nie sposób nie poruszyć tematu klonowania. Klonowanie jest jedną z metod biotechnologii wykorzystywaną do uzyskania identycznego potomstwa różnych organizmów poprzez rozmnażanie bezpłciowe.

Innymi słowy, klonowanie można traktować jako proces tworzenia genetycznie identycznych kopii organizmu lub komórki. A sklonowane organizmy są podobne lub całkowicie identyczne nie tylko pod względem cech zewnętrznych, ale także treści genetycznej.

Osławiona owca Dolly w 1966 roku została pierwszym sklonowanym ssakiem. Uzyskano go poprzez przeszczepienie jądra komórki somatycznej do cytoplazmy komórki jajowej. Dolly była genetyczną kopią owcy-dawcy jądra. W naturalnych warunkach osobnik powstaje z jednego zapłodnionego jaja, otrzymując połowę materiału genetycznego od dwojga rodziców. Jednakże podczas klonowania materiał genetyczny pobrano z komórki jednego osobnika. Najpierw z zygoty usunięto jądro zawierające samo DNA. Następnie usunęli jądro z komórki dorosłej owcy i wszczepili je do zygoty bez jądra, a następnie przeszczepiono je do macicy dorosłej osoby i pozwolono im rosnąć i rozwijać się.

Jednak nie wszystkie próby klonowania zakończyły się sukcesem. Równolegle z klonowaniem Dolly przeprowadzono eksperyment polegający na zastąpieniu DNA na 273 innych jajach. Ale tylko w jednym przypadku żywe dorosłe zwierzę mogło w pełni się rozwinąć i rosnąć. Po Dolly naukowcy próbowali sklonować inne typy ssaków.

Jednym z rodzajów inżynierii genetycznej jest edycja genomu.

Narzędzie CRISPR/Cas opiera się na elemencie układu odpornościowego bakterii, który naukowcy zaadaptowali do wprowadzania wszelkich zmian w DNA zwierząt czy roślin.

CRISPR/Cas to jedna z biotechnologicznych metod manipulacji pojedynczymi genami w komórkach. Istnieje wiele zastosowań tej technologii. CRISPR/Cas umożliwia naukowcom poznanie funkcji różnych genów. Aby to zrobić, wystarczy wyciąć badany gen z DNA i zbadać, które funkcje organizmu zostały dotknięte.

Kilka praktycznych zastosowań systemu:

1. Rolnictwo. Dzięki systemom CRISPR/Cas można ulepszyć plony. Mianowicie po to, aby były smaczniejsze i pożywniejsze, a także odporne na ciepło. Można nadać roślinom inne właściwości: na przykład wyciąć gen alergenu z orzechów (orzeszków ziemnych lub orzechów laskowych).
2. Medycyna, choroby dziedziczne. Celem naukowców jest wykorzystanie CRISPR/Cas do usunięcia z ludzkiego genomu mutacji, które mogą powodować choroby, takie jak anemia sierpowatokrwinkowa itp. Teoretycznie CRISPR/Cas może zatrzymać rozwój wirusa HIV.
3. Napęd genowy. CRISPR/Cas może zmienić nie tylko genom pojedynczego zwierzęcia lub rośliny, ale także pulę genową gatunku. Koncepcja ta znana jest jako „napęd genowy”. Każdy żywy organizm przekazuje potomstwu połowę swoich genów. Jednak użycie CRISPR/Cas może zwiększyć szansę na transfer genu nawet o 100%. Jest to ważne, aby pożądana cecha szybciej rozprzestrzeniła się w całej populacji.

Szwajcarscy naukowcy znacząco udoskonalili i unowocześnili metodę edycji genomu CRISPR/Cas, poszerzając tym samym jej możliwości. Jednakże naukowcy mogli modyfikować tylko jeden gen na raz, korzystając z systemu CRISPR/Cas. Ale teraz naukowcy z ETH Zurich opracowali metodę, która może jednocześnie modyfikować 25 genów w komórce.

W przypadku najnowszej techniki eksperci wykorzystali enzym Cas12a. Genetykom po raz pierwszy w historii udało się sklonować małpy. „Popularna mechanika”;

Nikołenko S. (2012). Genomika: opis problemu i metody sekwencjonowania . „Postnauka”.

31.2

Dla przyjaciół!

Odniesienie

Biologia molekularna wyrosła z biochemii w kwietniu 1953 roku. Jego pojawienie się wiąże się z nazwiskami Jamesa Watsona i Francisa Cricka, którzy odkryli strukturę cząsteczki DNA. Odkrycie było możliwe dzięki badaniu genetyki, bakterii i biochemii wirusów. Zawód biologa molekularnego nie jest powszechny, ale dziś jego rola we współczesnym społeczeństwie jest bardzo duża. Duża liczba chorób, w tym także tych objawiających się na poziomie genetycznym, wymaga od naukowców znalezienia rozwiązań tego problemu.

Opis działalności

Wirusy i bakterie nieustannie mutują, co oznacza, że ​​leki nie pomagają już człowiekowi, a choroby stają się nieuleczalne. Zadaniem biologii molekularnej jest wyprzedzenie tego procesu i opracowanie nowego leku na choroby. Naukowcy pracują według ustalonego schematu: blokowanie przyczyny choroby, eliminowanie mechanizmów dziedziczności i tym samym łagodzenie stanu pacjenta. Na całym świecie istnieje wiele ośrodków, klinik i szpitali, w których biolodzy molekularni opracowują nowe metody leczenia, aby pomóc pacjentom.

Odpowiedzialność zawodowa

Do obowiązków biologa molekularnego należy badanie procesów zachodzących wewnątrz komórki (na przykład zmian w DNA podczas rozwoju nowotworów). Eksperci badają także cechy DNA, ich wpływ na cały organizm i pojedynczą komórkę. Badania takie przeprowadza się np. w oparciu o PCR (reakcję łańcuchową polimerazy), która pozwala na analizę organizmu pod kątem infekcji, chorób dziedzicznych oraz określenie pokrewieństwa biologicznego.

Cechy rozwoju kariery

Zawód biologa molekularnego jest dość obiecujący w swojej dziedzinie i już dziś zajmuje pierwsze miejsce w rankingu zawodów medycznych przyszłości. Nawiasem mówiąc, biolog molekularny nie musi pozostawać w tej dziedzinie przez cały czas. Jeśli istnieje chęć zmiany zawodu, może przekwalifikować się na kierownika sprzedaży sprzętu laboratoryjnego, rozpocząć opracowywanie instrumentów do różnych badań lub otworzyć własną firmę.

1. Wstęp.

Przedmiot, zadania i metody biologii molekularnej i genetyki. Znaczenie genetyki „klasycznej” i genetyki mikroorganizmów w rozwoju biologii molekularnej i inżynierii genetycznej. Pojęcie genu w genetyce „klasycznej” i molekularnej, jego ewolucja. Wkład metodologii inżynierii genetycznej w rozwój genetyki molekularnej. Zastosowanie inżynierii genetycznej w biotechnologii.

2. Molekularne podstawy dziedziczności.

Pojęcie komórki, jej skład makromolekularny. Charakter materiału genetycznego. Historia dowodów na genetyczną funkcję DNA.

2.1. Różne rodzaje kwasów nukleinowych. Funkcje biologiczne kwasów nukleinowych. Budowa chemiczna, struktura przestrzenna i właściwości fizyczne kwasy nukleinowe. Cechy strukturalne materiału genetycznego pro- i eukariontów. Uzupełniające pary zasad Watsona-Cricka. Kod genetyczny. Historia rozszyfrowania kodu genetycznego. Główne właściwości kodu: trójka, kod bez przecinków, degeneracja. Cechy słownika kodów, rodziny kodonów, kodony semantyczne i „bezsensowne”. Okrągłe cząsteczki DNA i koncepcja superskręcenia DNA. Topoizomery DNA i ich rodzaje. Mechanizmy działania topoizomerazy. Gyraza DNA bakteryjnego.

2.2. Transkrypcja DNA. Prokariotyczna polimeraza RNA, jej podjednostka i struktury trójwymiarowe. Różnorodność czynników sigma. Promotor genu prokariotycznego, jego elementy strukturalne. Etapy cyklu transkrypcyjnego. Inicjacja, utworzenie „otwartego kompleksu”, elongacja i terminacja transkrypcji. osłabienie transkrypcji. Regulacja ekspresji operonu tryptofanowego. „Ryboprzełączniki”. Mechanizmy terminacji transkrypcji. Negatywna i pozytywna regulacja transkrypcji. operon laktozowy. Regulacja transkrypcji w rozwoju faga lambda. Zasady rozpoznawania DNA przez białka regulatorowe (białko CAP i represor faga lambda). Cechy transkrypcji u eukariontów. Przetwarzanie RNA u eukariontów. Capping, splicing i poliadenylacja transkryptów. mechanizmy splotu. Rola małych jądrowych czynników RNA i białek. Splicing alternatywny, przykłady.

2.3. Audycja, jego etapy, funkcja rybosomów. Lokalizacja rybosomów w komórce. Prokariotyczne i eukariotyczne typy rybosomów; Rybosomy 70S i 80S. Morfologia rybosomów. Podział na podcząstki (podjednostki). Zależne od kodonów wiązanie aminoacylo-tRNA w cyklu elongacji. Interakcja kodon-antykodon. Udział czynnika elongacji EF1 (EF-Tu) w wiązaniu aminoacylo-tRNA z rybosomem. Współczynnik wydłużenia EF1B (EF-Ts), jego funkcja, sekwencja reakcji z jego udziałem. Antybiotyki wpływające na etap zależnego od kodonów wiązania aminoacylo-tRNA z rybosomem. Antybiotyki aminoglikozydowe (streptomycyna, neomycyna, kanamycyna, gentamycyna itp.), Ich mechanizm działania. Tetracykliny jako inhibitory wiązania aminoacylo-tRNA z rybosomami. Rozpoczęcie transmisji. Główne etapy procesu inicjacji. Inicjacja translacji u prokariotów: czynniki inicjacji, kodony inicjatorowe, koniec 3¢ małej podjednostki rybosomu RNA i sekwencja Shine-Dalgarno w mRNA. Inicjacja translacji u eukariontów: czynniki inicjacji, kodony inicjatora, region niepodlegający translacji 5¢ i inicjacja końcowa zależna od czapeczki. „Wewnętrzna” inicjacja niezależna od czapeczki u eukariontów. Transpeptydacja. Inhibitory transpeptydacji: chloramfenikol, linkomycyna, amicetyna, streptograminy, anizomycyna. Translokacja. Udział współczynnika wydłużenia EF2 (EF-G) i GTP. Inhibitory translokacji: kwas fusydowy, wiomycyna, mechanizmy ich działania. Zakończenie tłumaczenia. Kodony terminacyjne. Czynniki terminacji białek u prokariotów i eukariontów; dwie klasy czynników terminujących i mechanizmy ich działania. Regulacja translacji u prokariotów.

2.4. replikacja DNA i jego kontrola genetyczna. Polimerazy biorące udział w replikacji, charakterystyka ich aktywności enzymatycznej. Wierność DNA. Rola oddziaływań sterycznych pomiędzy parami zasad DNA podczas replikacji. Polimerazy E. coli I, II i III. Podjednostki polimerazy III. Widełki replikacyjne, wątki „wiodące” i „opóźniające” podczas replikacji. Fragmenty Okazaki. Kompleks białek w widełkach replikacyjnych. Regulacja inicjacji replikacji u E. coli. Zakończenie replikacji u bakterii. Cechy regulacji replikacji plazmidu. Replikacja dwukierunkowa i pierścienia tocznego.

2.5. Rekombinacja, jego rodzaje i modele. Rekombinacja ogólna lub homologiczna. Pęknięcia dwuniciowe w DNA inicjujące rekombinację. Rola rekombinacji w naprawie poreplikacyjnej pęknięć dwuniciowych. Struktura Hollidaya w modelu rekombinacji. Enzymologia ogólnej rekombinacji u E. coli. Kompleks RecBCD. Białko Reca. Rola rekombinacji w zapewnieniu syntezy DNA w uszkodzeniach DNA zakłócających replikację. rekombinacja u eukariontów. Enzymy rekombinacyjne u eukariontów. Rekombinacja specyficzna dla miejsca. Różnice w molekularnych mechanizmach rekombinacji ogólnej i specyficznej miejscowo. Klasyfikacja rekombinaz. Rodzaje rearanżacji chromosomów zachodzących podczas rekombinacji specyficznej dla miejsca. Regulacyjna rola rekombinacji specyficznej miejscowo u bakterii. Konstrukcja wielokomórkowych chromosomów eukariotycznych z wykorzystaniem systemu rekombinacji fagów specyficznej dla miejsca.

2.6. Naprawa DNA. Klasyfikacja rodzajów odszkodowań. Bezpośrednia naprawa dimerów tyminy i metylowanej guaniny. Wycinanie podstaw. Glikozylazy. Mechanizm naprawy niesparowanych nukleotydów (naprawa niedopasowania). Wybór nici DNA do naprawy. Naprawa SOS. Właściwości polimeraz DNA biorących udział w naprawie SOS u prokariotów i eukariontów. Pojęcie „mutacji adaptacyjnych” u bakterii. Naprawa pęknięć dwuniciowych: homologiczna rekombinacja poreplikacyjna i asocjacja niehomologicznych końców cząsteczki DNA. Związek pomiędzy procesami replikacji, rekombinacji i naprawy.

3. Proces mutacji.

Rola mutantów biochemicznych w tworzeniu teorii jeden gen – jeden enzym. Klasyfikacja mutacji. Mutacje punktowe i rearanżacje chromosomowe, mechanizm ich powstawania. Mutageneza spontaniczna i indukowana. Klasyfikacja mutagenów. Molekularny mechanizm mutagenezy. Związek pomiędzy mutagenezą a naprawą. Identyfikacja i selekcja mutantów. Supresja: wewnątrzgenowa, międzygenowa i fenotypowa.

4. Pozachromosomalne elementy genetyczne.

Plazmidy, ich budowa i klasyfikacja. Czynnik płci F, jego struktura i cykl życiowy. Rola czynnika F w mobilizacji transferu chromosomów. Tworzenie dawców Hfr i F. Mechanizm koniugacji. Bakteriofagi, ich budowa i cykl życiowy. Bakteriofagi zjadliwe i umiarkowane. Lizogeneza i transdukcja. Transdukcja ogólna i specyficzna. Migrujące elementy genetyczne: transpozony i sekwencje IS, ich rola w metabolizmie genetycznym. DNA - transpozony w genomach prokariotów i eukariotów IS-sekwencje bakterii, ich budowa IS-sekwencje jako składnik czynnika F bakterii, który określa zdolność przenoszenia materiału genetycznego podczas koniugacji Transpozony bakterii i organizmów eukariotycznych Bezpośrednie niereplikacyjne i replikacyjne mechanizmy transpozycji Koncepcja poziomego transferu transpozonów i ich rola w rearanżacjach strukturalnych (rekombinacja ektopowa) i ewolucji genomu.

5. Badanie struktury i funkcji genu.

Elementy analizy genetycznej. Test komplementacji cis-trans. Mapowanie genetyczne z wykorzystaniem koniugacji, transdukcji i transformacji. Budowa map genetycznych. Dobre mapowanie genetyczne. Analiza fizyczna struktury genu. analiza heterodupleksowa. Analiza ograniczeń. Metody sekwencjonowania. reakcja łańcuchowa polimerazy. Odkrywanie funkcji genu.

6. Regulacja ekspresji genów. Pojęcia operonu i regulonu. Kontrola na poziomie inicjacji transkrypcji. Białka promotorowe, operatorowe i regulatorowe. Pozytywna i negatywna kontrola ekspresji genów. Kontrola na poziomie terminacji transkrypcji. Operony kontrolowane przez katabolit: modele operonów laktozowych, galaktozowych, arabinozowych i maltozowych. Operony sterowane tłumikiem: model operonu tryptofanowego. Wielowartościowa regulacja ekspresji genów. Globalne systemy regulacji. Reakcja regulacyjna na stres. kontrola potranskrypcyjna. transmisja sygnału. Regulacja za pośrednictwem RNA: małe RNA, sensoryczne RNA.

7. Podstawy inżynierii genetycznej. Enzymy restrykcyjne i modyfikacje. Izolacja i klonowanie genów. Wektory do klonowania molekularnego. Zasady konstrukcji rekombinowanego DNA i ich wprowadzania do komórek biorców. Stosowane aspekty inżynierii genetycznej.

A). Główna literatura:

1. Watson J., Tooze J., Rekombinowane DNA: krótki kurs. – M.: Mir, 1986.

2. Geny. – M.: Mir. 1987.

3. Biologia molekularna: budowa i biosynteza kwasów nukleinowych. / wyd. . - M. Szkoła wyższa. 1990.

4. , – Biotechnologia molekularna. M. 2002.

5. Rybosomy spiryny i biosynteza białek. - M.: Szkoła wyższa, 1986.

B). Dodatkowa literatura:

1. Hezyna genomu. – M.: Nauka. 1984.

2. Rybchin inżynierii genetycznej. - St. Petersburg: Państwowy Uniwersytet Techniczny w Petersburgu. 1999.

3. Geny Patruszewa. – M.: Nauka, 2000.

4. Nowoczesna mikrobiologia. Prokarioty (w 2 tomach). – M.: Mir, 2005.

5. M. Singer, P. Berg. Geny i genomy. – M.: Mir, 1998.

6. Inżynieria Szczelkunowa. - Nowosybirsk: Od Sib. Uniwersytet, 2004.

7. Biologia Stiepanowa. Struktura i funkcje białek. - M.: V. Sh., 1996.

(biolog molekularny/-biologin)

• Typ

  Zawód po ukończeniu studiów

• Wynagrodzenie

  3667-5623 € miesięcznie

Biolodzy molekularni badają procesy molekularne jako podstawę wszystkich procesów życiowych. Na podstawie uzyskanych wyników opracowują koncepcje wykorzystania procesów biochemicznych np. w badaniach i diagnostyce medycznej czy w biotechnologii. Ponadto mogą być zaangażowani w wytwarzanie produktów farmaceutycznych, rozwój produktów, zapewnianie jakości lub doradztwo farmaceutyczne.

Obowiązki biologa molekularnego

Biolodzy molekularni mogą pracować w różnych dziedzinach. Dotyczą one np. wykorzystania wyników badań do produkcji w obszarach takich jak inżynieria genetyczna, chemia białek czy farmakologia (odkrywanie leków). W przemyśle chemicznym i farmaceutycznym ułatwiają transfer nowo opracowanych produktów z badań do produkcji, marketingu produktów i doradztwa dla użytkowników.

W badaniach naukowych biolodzy molekularni badają właściwości chemiczno-fizyczne związków organicznych, a także procesy chemiczne (z zakresu metabolizmu komórkowego) w organizmach żywych i publikują wyniki badań. W wyższym instytucje edukacyjne uczą studentów, przygotowują do wykładów i seminariów, sprawdzają prace pisemne i przeprowadzają egzaminy. Samodzielna działalność naukowa możliwa jest dopiero po uzyskaniu stopnia magistra i doktora.

Gdzie pracują biolodzy molekularni?

Biolodzy molekularni znajdują pracę m.in

• w instytutach badawczych, np. w dziedzinach nauki i medycyny
• w szkołach wyższych
• w branży chemiczno-farmaceutycznej
• w wydziałach ochrony środowiska

Wynagrodzenie biologa molekularnego

Poziom wynagrodzenia otrzymywanego przez biologów molekularnych w Niemczech wynosi

• od 3667€ do 5623€ miesięcznie

(wg różnych urzędów statystycznych i służb zatrudnienia w Niemczech)

Zadania i obowiązki biologa molekularnego w szczegółach

Jaka jest istota zawodu biologa molekularnego

Biolodzy molekularni badają procesy molekularne jako podstawę wszystkich procesów życiowych. Na podstawie uzyskanych wyników opracowują koncepcje wykorzystania procesów biochemicznych np. w badaniach i diagnostyce medycznej czy w biotechnologii. Ponadto mogą być zaangażowani w wytwarzanie produktów farmaceutycznych, opracowywanie produktów, zapewnianie jakości lub doradztwo farmaceutyczne.

Zawód Biologia molekularna

Biologia molekularna lub genetyka molekularna zajmuje się badaniem struktury i biosyntezy kwasów nukleinowych oraz procesów związanych z przekazywaniem i realizacją tej informacji w postaci białek. Pozwala to zrozumieć bolesne zaburzenia tych funkcji i ewentualnie wyleczyć je za pomocą terapii genowej. Istnieją interfejsy dla biotechnologii i inżynierii genetycznej, które tworzą proste organizmy, takich jak bakterie i drożdże, w celu udostępnienia substancji o znaczeniu farmakologicznym lub handlowym na skalę przemysłową poprzez ukierunkowane mutacje.

Teoria i praktyka biologii molekularnej

Przemysł chemiczno-farmaceutyczny oferuje biologom molekularnym liczne obszary zatrudnienia. W warunkach przemysłowych analizują procesy biotransformacji lub opracowują i ulepszają procesy mikrobiologicznej produkcji składników aktywnych i półproduktów farmaceutycznych. Ponadto biorą udział w przejściu nowo opracowanych produktów z badań do produkcji. Wykonując zadania kontrolne, zapewniają, że obiekty produkcyjne, sprzęt, metody analityczne i wszystkie etapy produkcji wrażliwych produktów, takich jak farmaceutyki, zawsze spełniają wymagane standardy jakości. Ponadto biolodzy molekularni doradzają użytkownikom w zakresie stosowania nowych produktów.

Stanowiska kierownicze często wymagają studiów magisterskich.

Biolodzy molekularni w badaniach i edukacji

W dziedzinie nauki i badań biolodzy molekularni zajmują się takimi tematami, jak rozpoznawanie, transport, zwijanie i kodyfikacja białek w komórce. Wyniki badań, stanowiące podstawę do praktycznych zastosowań w różnych dziedzinach, są publikowane i udostępniane innym naukowcom i studentom. Na konferencjach i kongresach omawiają i prezentują wyniki działalności naukowej. Biolodzy molekularni prowadzą wykłady i seminaria, nadzorują prace naukowe i przeprowadzają egzaminy.

Samodzielna działalność naukowa wymaga posiadania tytułu magistra i doktora.