Biologjia molekulare e aplikuar. Biolog molekular. Përshkrimi i punës Metodat e biologjisë molekulare

Përparimet në studimin e acideve nukleike dhe biosintezës së proteinave kanë çuar në krijimin e një sërë metodash me rëndësi të madhe praktike në mjekësi, bujqësi dhe një sërë industrish të tjera.

Pasi u studiuan kodi gjenetik dhe parimet bazë të ruajtjes dhe zbatimit të informacionit trashëgues, zhvillimi i biologjisë molekulare u ndal, pasi nuk kishte metoda që bënin të mundur manipulimin e gjeneve, izolimin dhe ndryshimin e tyre. Shfaqja e këtyre metodave ndodhi në vitet 1970-1980. Kjo i dha një shtysë të fuqishme zhvillimit të kësaj fushe të shkencës, e cila lulëzon edhe sot. Para së gjithash, këto metoda kanë të bëjnë me marrjen e gjeneve individuale dhe futjen e tyre në qelizat e organizmave të tjerë (klonimi molekular dhe transgjeneza, PCR), si dhe metodat për përcaktimin e sekuencës nukleotide në gjene (sekuenca e ADN-së dhe ARN-së). Këto metoda do të diskutohen më në detaje më poshtë. Do të fillojmë me metodën më të thjeshtë bazë, elektroforezën, dhe më pas do të kalojmë në metoda më komplekse.

ELEKTROFOREZA E ADN-së

Është metoda bazë e punës me ADN-në, e cila përdoret së bashku me pothuajse të gjitha metodat e tjera për të izoluar molekulat e dëshiruara dhe për të analizuar rezultatet. Elektroforeza me xhel përdoret për të ndarë fragmentet e ADN-së sipas gjatësisë. ADN-ja është një acid, molekulat e saj përmbajnë mbetje të acidit fosforik, të cilët shkëputen nga një proton dhe marrin një ngarkesë negative (Fig. 1).

Prandaj, në fushe elektrike Molekulat e ADN-së lëvizin drejt anodës - një elektrodë e ngarkuar pozitivisht. Kjo ndodh në një zgjidhje elektrolite që përmban jone bartës të ngarkesës, për shkak të të cilave kjo zgjidhje përcjell rrymë. Për të ndarë fragmentet, përdoret një xhel i dendur i bërë nga polimere (agarozë ose poliakrilamide). Molekulat e ADN-së "ngatërrohen" në të sa më shumë, aq më të gjata janë, dhe për këtë arsye molekulat më të gjata lëvizin më ngadalë, dhe më të shkurtrat - më shpejt (Fig. 2). Para ose pas elektroforezës, xheli trajtohet me ngjyra që lidhen me ADN-në dhe fluoreshojnë në dritën ultravjollcë dhe fitohet një model brezash në xhel (shih Fig. 3). Për të përcaktuar gjatësinë e fragmenteve të ADN-së në një mostër, ato krahasohen me një shënues, d.m.th., një grup fragmentesh me gjatësi standarde të depozituara paralelisht në të njëjtin xhel (Fig. 4).

Mjetet më të rëndësishme për të punuar me ADN-në janë enzimat që kryejnë transformimet e ADN-së në qelizat e gjalla: polimerazat e ADN-së, ligazat e ADN-së dhe endonukleazat kufizuese ose enzimat kufizuese. ADN polimeraza Kryhet sinteza e shabllonit të ADN-së, e cila lejon që ADN-ja të përhapet në një epruvetë. Ligazat e ADN-së qepni molekulat e ADN-së së bashku ose shëroni boshllëqet në to. Endonukleazat kufizuese, ose kufizon, prerë molekulat e ADN-së sipas sekuencave të përcaktuara rreptësisht, gjë që ju lejon të hiqni fragmente individuale nga masa totale e ADN-së. Këto fragmente në disa raste mund të përmbajnë gjene individuale.

kufizon

Sekuencat e njohura nga enzimat kufizuese janë simetrike, dhe thyerjet mund të ndodhin në mes të një sekuence të tillë ose me një zhvendosje (në të njëjtin vend në të dy vargjet e ADN-së). Skema e veprimit tipe te ndryshme limitaza është paraqitur në Fig. 1. Në rastin e parë, fitohen skajet e ashtuquajtura "të hapura", dhe në të dytën - skajet "ngjitëse". Në rastin e skajeve "ngjitëse" të pjesës së poshtme, zinxhiri është më i shkurtër se tjetri, formohet një seksion me një fije me një sekuencë simetrike që është e njëjtë në të dy skajet e formuar.

Sekuencat fundore do të jenë të njëjta kur çdo ADN shkëputet me një enzimë të caktuar kufizuese dhe mund të ribashkohet sepse ato kanë sekuenca plotësuese. Ato mund të lidhen me ligazën e ADN-së për të formuar një molekulë të vetme. Kështu, është e mundur të kombinohen fragmente të dy ADN-së të ndryshme dhe të merret e ashtuquajtura ADN rekombinante. Kjo qasje përdoret në metodën e klonimit molekular, e cila bën të mundur marrjen e gjeneve individuale dhe futjen e tyre në qeliza që mund të formojnë proteinën e koduar në gjen.

klonimi molekular

Klonimi molekular përdor dy molekula të ADN-së - një insert që përmban gjenin me interes, dhe vektoriale- ADN-ja që vepron si bartës. Inserti "qepet" në vektor me ndihmën e enzimave, duke marrë një molekulë të re, rekombinante të ADN-së, më pas kjo molekulë futet në qelizat pritëse dhe këto qeliza formojnë koloni në një mjedis ushqyes. Një koloni është një pasardhës i një qelize, pra një klon, të gjitha qelizat e kolonisë janë gjenetikisht identike dhe përmbajnë të njëjtën ADN rekombinante. Prandaj termi "klonim molekular", domethënë, marrja e një kloni qelizash që përmban një fragment të ADN-së me interes për ne. Pasi të jenë marrë kolonitë që përmbajnë insertin me interes për ne, ne mundemi metoda të ndryshme për të karakterizuar këtë futje, për shembull, për të përcaktuar sekuencën e saktë të saj. Qelizat mund të prodhojnë gjithashtu proteinën e koduar nga inserti nëse ajo përmban një gjen funksional.

Kur një molekulë rekombinante futet në qeliza, ndodh transformimi gjenetik i këtyre qelizave. Transformimi- procesi i përthithjes nga një qelizë e një organizmi të një molekule të lirë të ADN-së nga mjedisi dhe integrimi i saj në gjenom, i cili çon në shfaqjen në një qelizë të tillë të tipareve të reja të trashëgueshme për të, karakteristike për organizmin-dhurues të ADN-së. Për shembull, nëse molekula e futur përmban një gjen për rezistencë ndaj antibiotikut ampicillin, atëherë bakteret e transformuara do të rriten në prani të tij. Para transformimit, ampicilina shkaktoi vdekjen e tyre, domethënë një shenjë e re shfaqet në qelizat e transformuara.

VEKTORËT

Një vektor duhet të ketë një numër karakteristikash:

Së pari, është një molekulë relativisht e vogël e ADN-së për t'u manipuluar lehtësisht.

Së dyti, në mënyrë që ADN-ja të ruhet dhe të riprodhohet në një qelizë, ajo duhet të përmbajë një sekuencë të caktuar që siguron replikimin e saj (origjina e replikimit, ose origjina e replikimit).

Së treti, duhet të përmbajë gjen shënues, i cili siguron zgjedhjen e vetëm atyre qelizave në të cilat ka hyrë vektori. Zakonisht këto janë gjene të rezistencës ndaj antibiotikëve - atëherë në prani të një antibiotiku, të gjitha qelizat që nuk përmbajnë vektorin vdesin.

Klonimi i gjeneve kryhet më shpesh në qelizat bakteriale, pasi ato kultivohen lehtë dhe shumohen me shpejtësi. Në një qelizë bakteriale, zakonisht ekziston një molekulë e madhe rrethore e ADN-së, disa milionë çifte bazash të gjata, që përmban të gjitha gjenet e nevojshme për bakteret - kromozomin bakterial. Përveç tij, në disa baktere ka ADN rrethore të vogla (disa mijëra çifte bazash), të quajtura plazmidet(Fig. 2). Ato, si ADN-ja kryesore, përmbajnë një sekuencë nukleotide që siguron aftësinë e ADN-së për t'u replikuar (ori). Plazmidet replikohen në mënyrë të pavarur nga ADN-ja kryesore (kromozomale), prandaj ato janë të pranishme në qelizë në një numër të madh kopjesh. Shumë prej këtyre plazmideve mbartin gjene të rezistencës ndaj antibiotikëve, gjë që bën të mundur dallimin e qelizave që mbartin plazmidin nga qelizat normale. Më shpesh, përdoren plazmidet që mbartin dy gjene që japin rezistencë ndaj dy antibiotikëve, si tetraciklina dhe amicilina. Ekzistojnë metoda të thjeshta për izolimin e një ADN-je të tillë plazmide të lirë nga ADN-ja e kromozomit kryesor të bakterit.

RËNDËSIA E TRANSGJENEZËS

Transferimi i gjeneve nga një organizëm në tjetrin quhet transgjeneza, dhe të tilla organizmat e modifikuar - transgjenike. Metoda e transferimit të gjeneve në qelizat mikrobike përdoret për të marrë preparate proteinike rekombinante për mjekësi, në veçanti, proteinat njerëzore që nuk shkaktojnë refuzim imunitar - interferone, insulinë dhe hormone të tjera proteinike, faktorë të rritjes së qelizave, si dhe proteina për prodhimin e vaksinave. Në raste më komplekse, kur modifikimi i proteinave kryhet në mënyrë korrekte vetëm në qelizat eukariote, përdoren kultura qelizore transgjenike ose kafshë transgjenike, në veçanti, bagëtitë (kryesisht dhitë), të cilat sekretojnë proteinat e nevojshme në qumësht, ose proteinat izolohen nga gjaku i tyre. Kështu fitohen antitrupat, faktorët e koagulimit të gjakut dhe proteinat e tjera. Me metodën e transgjenezës fitohen bimë të kultivuara që janë rezistente ndaj herbicideve dhe dëmtuesve dhe kanë të tjera veti të dobishme. Duke përdorur mikroorganizma transgjenikë për të pastruar ujërat e zeza dhe për të luftuar ndotjen, ka edhe mikrobe transgjenike që mund të shpërbëjnë vajin. Për më tepër, teknologjitë transgjenike janë të domosdoshme në kërkimin shkencor - zhvillimi i biologjisë sot është i paimagjinueshëm pa përdorimin rutinë të metodave të modifikimit dhe transferimit të gjeneve.

teknologjia e klonimit molekular

fut

Për të marrë një gjen individual nga çdo organizëm, e gjithë ADN-ja kromozomike izolohet prej tij dhe ndahet me një ose dy enzima kufizuese. Enzimat zgjidhen në mënyrë që të mos e presin gjenin që na intereson, por të bëjnë thyerje përgjatë skajeve të tij, dhe në ADN plazmide bëjnë një thyerje në një nga gjenet e rezistencës, për shembull, ndaj ampicilinës.

Procesi i klonimit molekular përfshin hapat e mëposhtëm:

Prerja dhe qepja - ndërtimi i një molekule të vetme rekombinante nga një insert dhe një vektor.

Transformimi është futja e një molekule rekombinante në qeliza.

Përzgjedhja - zgjedhja e qelizave që morën një vektor me një insert.

prerje dhe qepje

ADN-ja e plazmidës trajtohet me të njëjtat enzima kufizuese dhe shndërrohet në një molekulë lineare nëse zgjidhet një enzimë e tillë kufizuese që fut 1 thyerje në plazmid. Si rezultat, të njëjtat skaje ngjitëse shfaqen në skajet e të gjitha fragmenteve të ADN-së që rezultojnë. Me uljen e temperaturës, këto skaje bashkohen në mënyrë të rastësishme dhe lidhen me ADN-ligazën (shih Fig. 3).

Përftohet një përzierje e ADN-ve rrethore me përbërje të ndryshme: disa prej tyre do të përmbajnë një sekuencë të caktuar ADN-je të ADN-së kromozomale të lidhur me ADN-në bakteriale, të tjerat do të përmbajnë fragmente të ADN-së kromozomale të bashkuara së bashku dhe të tjerat do të përmbajnë një plazmid rrethor të reduktuar ose dimer të tij (Fig. 4).

transformimi

Më pas, kryhet kjo përzierje transformimi gjenetik bakteret që nuk përmbajnë plazmide. Transformimi- procesi i përthithjes nga një qelizë e një organizmi të një molekule të lirë të ADN-së nga mjedisi dhe integrimi i saj në gjenom, i cili çon në shfaqjen në një qelizë të tillë të tipareve të reja të trashëgueshme për të, karakteristike për organizmin-dhurues të ADN-së. Vetëm një plazmid mund të hyjë dhe të shumohet në çdo qelizë. Qeliza të tilla vendosen në një medium të ngurtë ushqyes që përmban antibiotikun tetraciklin. Qelizat që nuk e kanë marrë plazmidin nuk do të rriten në këtë mjedis dhe qelizat që bartin plazmidën formojnë koloni, secila prej të cilave përmban pasardhësit e vetëm një qelize, d.m.th. të gjitha qelizat në një koloni mbajnë të njëjtin plazmid (shih Fig. 5).

Përzgjedhja

Më pas, detyra është të izolohen vetëm qelizat në të cilat ka hyrë vektori me insert dhe t'i dallojmë ato nga qelizat që mbajnë vetëm vektorin pa insert ose që nuk e mbajnë fare vektorin. Ky proces i zgjedhjes së qelizave të duhura quhet përzgjedhje. Për këtë aplikoni shënuesit selektivë- zakonisht gjenet e rezistencës ndaj antibiotikëve në vektor, dhe media selektive që përmbajnë antibiotikë ose substanca të tjera selektive.

Në shembullin që po shqyrtojmë, qelizat nga kolonitë e rritura në prani të ampicilinës nënkulturohen në dy media: e para përmban ampicilinë dhe e dyta përmban tetraciklinë. Kolonitë që përmbajnë vetëm plazmidin do të rriten në të dy mjediset, ndërsa kolonitë që përmbajnë ADN kromozomale të futur në plazmide nuk do të rriten në mjedisin me tetraciklinë (Fig. 5). Midis tyre, ato që përmbajnë gjenin me interes për ne zgjidhen me metoda të veçanta, rriten në sasi të mjaftueshme dhe izolohet ADN-ja plazmidike. Prej tij, duke përdorur të njëjtat limitaza që u përdorën për të marrë ADN-në rikombinante, gjen individual me interes pritet. ADN-ja e këtij gjeni mund të përdoret për të përcaktuar sekuencën e nukleotideve, për të futur në çdo organizëm për të marrë veti të reja ose për të sintetizuar proteinën e dëshiruar. Kjo metodë e izolimit të gjenit quhet klonimi molekular.

PROTEINAT FLUORESHENTE

Është shumë i përshtatshëm për të përdorur proteinat fluoreshente si gjene shënues në studimet e organizmave eukariote. Gjeni për proteinën e parë fluoreshente, Proteina fluoreshente e gjelbër (GFP) u izolua nga kandili i detit Aqeuorea victoria dhe u fut në organizma të ndryshëm model (shih Fig. 6) Në vitin 2008, O. Shimomura, M. Chalfi dhe R. Tsien morën çmimin Nobel për zbulimin dhe aplikimin e kësaj proteine.

Më pas gjenet për proteinat e tjera fluoreshente - të kuqe, blu, të verdhë - u izoluan. Këto gjene janë modifikuar artificialisht për të prodhuar proteina me vetitë e dëshiruara. Diversiteti i proteinave fluoreshente tregohet në fig. 7, e cila tregon një pjatë Petri me baktere që përmbajnë gjene për proteina të ndryshme fluoreshente.

aplikimi i proteinave fluoreshente

Gjeni i proteinës fluoreshente mund të shkrihet me gjenin e çdo proteine tjetër, pastaj gjatë përkthimit do të formohet një proteinë e vetme - një proteinë shkrirjeje translative, ose shkrirje(proteina e shkrirjes), e cila fluorescon. Kështu, është e mundur të studiohet, për shembull, lokalizimi (vendndodhja) e çdo proteine me interes në qelizë, lëvizja e tyre. Duke përdorur shprehjen e proteinave fluoreshente vetëm në lloje të caktuara qelizash, është e mundur të shënohen qelizat e këtyre llojeve në një organizëm shumëqelizor (shih Fig. 8 - truri i miut, në të cilin neuronet individuale kanë ngjyra të ndryshme për shkak të një kombinimi të caktuar të gjeneve të proteinave fluoreshente). Proteinat fluoreshente janë një mjet i domosdoshëm në biologjinë molekulare moderne.

PCR

Një metodë tjetër për marrjen e gjeneve quhet reaksioni zinxhir i polimerazës (PCR). Ai bazohet në aftësinë e polimerazave të ADN-së për të kompletuar vargun e dytë të ADN-së përgjatë vargut plotësues, siç ndodh në qelizat gjatë replikimit të ADN-së.

Origjina e replikimit në këtë metodë jepet nga dy pjesë të vogla të ADN-së të quajtura fara, ose abetare. Këta primerë janë plotësues me skajet e gjenit me interes në dy vargje të ADN-së. Së pari, ADN-ja kromozomike nga e cila do të izolohet gjeni, përzihet me farat dhe nxehet në 99 ° C. Kjo çon në thyerjen e lidhjeve hidrogjenore dhe divergjencën e vargjeve të ADN-së. Pas kësaj, temperatura ulet në 50-70 rreth C (në varësi të gjatësisë dhe sekuencës së farave). Në këto kushte, primerët ngjiten në rajone plotësuese të ADN-së kromozomale, duke formuar një spirale të rregullt të dyfishtë (shih Fig. 9). Pas kësaj, shtohet një përzierje e të katër nukleotideve të nevojshme për sintezën e ADN-së dhe ADN polimerazës. Enzima zgjat primerët duke ndërtuar ADN dyvargjeshe nga pika e lidhjes së abetareve, d.m.th. nga skajet e një gjeni deri në fundin e një molekule kromozomi me një fije floku.

Nëse përzierja tani nxehet përsëri, zinxhirët kromozomalë dhe ato të saposintetizuara do të shpërndahen. Pas ftohjes, do t'i bashkohen përsëri farat, të cilat merren me tepricë të madhe (shih Fig. 10).

Në zinxhirët e saposintetizuar, ato do të bashkohen jo deri në fund nga ku filloi sinteza e parë, por me atë të kundërt, pasi zinxhirët e ADN-së janë antiparalele. Prandaj, në ciklin e dytë të sintezës, vetëm sekuenca që korrespondon me gjenin do të plotësohet në zinxhirë të tillë (shih Fig. 11).

Kjo metodë përdor ADN polimerazën nga bakteret termofile që mund t'i rezistojë vlimit dhe funksionon në temperatura 70-80 ° C, nuk ka nevojë të shtohet çdo herë, por mjafton ta shtoni në fillim të eksperimentit. Duke përsëritur procedurat e ngrohjes dhe ftohjes në të njëjtën sekuencë, ne mund të dyfishojmë numrin e sekuencave në çdo cikël, të kufizuar në të dy skajet nga farat e futura (shih Fig. 12).

Pas rreth 25 cikleve të tilla, numri i kopjeve të gjenit do të rritet me më shumë se një milion herë. Sasi të tilla mund të ndahen lehtësisht nga ADN-ja kromozomale e futur në epruvetë dhe përdoret për qëllime të ndryshme.

Sekuenca e ADN-së

Një arritje tjetër e rëndësishme është zhvillimi i metodave për përcaktimin e sekuencës së nukleotideve në ADN - Sekuenca e ADN-së(nga sekuenca angleze - sekuencë). Për ta bërë këtë, është e nevojshme të merren gjenet e pastra nga ADN-ja tjetër duke përdorur një nga metodat e përshkruara. Pastaj zinxhirët e ADN-së ndahen me ngrohje dhe atyre u shtohet një primer i etiketuar me fosfor radioaktiv ose një etiketë fluoreshente. Ju lutemi vini re se merret një farë, plotësuese e një zinxhiri. Më pas shtohet ADN polimeraza dhe një përzierje e 4 nukleotideve. Një përzierje e tillë ndahet në 4 pjesë dhe secilës i shtohet një nga nukleotidet, i modifikuar në mënyrë që të mos përmbajë një grup hidroksil në atomin e tretë të deoksiribozës. Nëse një nukleotid i tillë përfshihet në zinxhirin e sintetizuar të ADN-së, atëherë zgjatimi i tij nuk do të mund të vazhdojë, sepse polimeraza nuk do të ketë ku të bashkojë nukleotidin e ardhshëm. Prandaj, sinteza e ADN-së pas përfshirjes së një nukleotidi të tillë ndërpritet. Këto nukleotide, të quajtura dideoksinukleotide, shtohen shumë më pak se zakonisht, kështu që ndërprerja e zinxhirit ndodh vetëm herë pas here dhe në çdo zinxhir në vende të ndryshme. Rezultati është një përzierje zinxhirësh gjatësi të ndryshme, në fund të secilit prej tyre është i njëjti nukleotid. Kështu, gjatësia e zinxhirit korrespondon me numrin e nukleotideve në sekuencën e studiuar, për shembull, nëse kishim një dideoksinukleotid adenil, dhe zinxhirët që rezultuan ishin 2, 7 dhe 12 nukleotide të gjata, atëherë adenina ishte në pozicionet e dytë, të shtatë dhe të dymbëdhjetë në gjen. Përzierja e zinxhirëve që rezulton mund të ndahet lehtësisht sipas madhësisë duke përdorur elektroforezë, dhe zinxhirët e sintetizuar mund të identifikohen nga radioaktiviteti në filmin me rreze X (shih Fig. 10).

Rezulton fotografia e treguar në fund të figurës, e quajtur radioautograf. Duke lëvizur përgjatë tij nga poshtë lart dhe duke lexuar shkronjën mbi kolonat e secilës zonë, do të marrim sekuencën nukleotide të paraqitur në figurën në të djathtë të autografit. Doli që sinteza ndalet jo vetëm nga dideoksinukleotidet, por edhe nga nukleotidet në të cilat një grup kimik, për shembull, një ngjyrë fluoreshente, është ngjitur në pozicionin e tretë të sheqerit. Nëse çdo nukleotid është etiketuar me ngjyrën e vet, atëherë zonat e marra nga ndarja e zinxhirëve të sintetizuar do të shkëlqejnë me një dritë të ndryshme. Kjo bën të mundur kryerjen e reaksionit në një epruvetë njëkohësisht për të gjitha nukleotidet dhe, duke ndarë zinxhirët që rezultojnë sipas gjatësisë, për të identifikuar nukleotidet sipas ngjyrës (shih Fig. 11).

Metoda të tilla bënë të mundur përcaktimin e sekuencave jo vetëm të gjeneve individuale, por edhe leximin e gjenomeve të tëra. Tani janë zhvilluar metoda edhe më të shpejta për përcaktimin e sekuencave nukleotide në gjene. Nëse gjenomi i parë njerëzor u deshifrua nga një konsorcium i madh ndërkombëtar duke përdorur metodën e parë të dhënë në 12 vjet, e dyta, duke përdorur të dytën, në tre vjet, tani kjo mund të bëhet brenda një muaji. Kjo ju lejon të parashikoni predispozitën e një personi ndaj shumë sëmundjeve dhe të merrni masa paraprakisht për t'i shmangur ato.

Libër komik për konkursin "bio/mol/tekst": Sot, biologu molekular Test Tube do t'ju udhëheqë nëpër botën e shkencës mahnitëse - biologjinë molekulare! Do të fillojmë me një ekskursion historik nëpër fazat e zhvillimit të tij, do të përshkruajmë zbulimet dhe eksperimentet kryesore që nga viti 1933. Dhe ne gjithashtu do të përshkruajmë qartë metodat kryesore të biologjisë molekulare, të cilat bënë të mundur manipulimin e gjeneve, ndryshimin dhe izolimin e tyre. Shfaqja e këtyre metodave shërbeu si një shtysë e fortë për zhvillimin e biologjisë molekulare. Dhe le të kujtojmë gjithashtu rolin e bioteknologjisë dhe të prekim një nga temat më të njohura në këtë fushë - redaktimi i gjenomit duke përdorur sistemet CRISPR/Cas.

Sponsor i përgjithshëm i konkursit dhe partner i nominimit Skoltech është .

Sponsor i konkursit është kompania Diaem: furnizuesi më i madh i pajisjeve, reagentëve dhe materialeve harxhuese për kërkimin dhe prodhimin biologjik.

Kompania sponsorizoi Çmimin e Zgjedhjes së Publikut.

"Libri" sponsor i konkursit - "Alpina non-fiction"

1. Hyrje. Thelbi i biologjisë molekulare

Ai studion bazat e aktivitetit jetësor të organizmave në nivelin e makromolekulave. Qëllimi i biologjisë molekulare është të përcaktojë rolin dhe mekanizmat e funksionimit të këtyre makromolekulave në bazë të njohurive për strukturat dhe vetitë e tyre.

Historikisht, biologjia molekulare u formua gjatë zhvillimit të fushave të biokimisë që studiojnë acidet nukleike dhe proteinat. Ndërsa biokimia është studimi i metabolizmit, përbërje kimike qelizat e gjalla, organizmat dhe proceset kimike që kryhen në to, biologjia molekulare fokusohet në studimin e mekanizmave të transmetimit, riprodhimit dhe ruajtjes së informacionit gjenetik.

Dhe objekti i studimit të biologjisë molekulare janë vetë acidet nukleike - deoksiribonukleike (ADN), ribonukleike (ARN) - dhe proteinat, si dhe komplekset e tyre makromolekulare - kromozomet, ribozomet, sistemet multienzimë që sigurojnë biosintezën e proteinave dhe acideve nukleike. Biologji Molekulare kufizohet gjithashtu me objektet e kërkimit dhe pjesërisht përkon me gjenetikën molekulare, virologjinë, biokiminë dhe një sërë shkencash të tjera biologjike të lidhura.

2. Ekskursion historik nëpër fazat e zhvillimit të biologjisë molekulare

Si një fushë e veçantë e biokimisë, biologjia molekulare filloi të zhvillohet në vitet '30 të shekullit të kaluar. Edhe atëherë, u bë e nevojshme të kuptohet fenomeni i jetës në nivel molekular për të studiuar proceset e transmetimit dhe ruajtjes së informacionit gjenetik. Pikërisht në atë kohë, detyra e biologjisë molekulare u krijua në studimin e vetive, strukturës dhe ndërveprimit të proteinave dhe acideve nukleike.

Termi "biologji molekulare" u përdor për herë të parë në 1933 viti William Astbury gjatë studimit të proteinave fibrilare (kolagjenit, fibrinës së gjakut, proteinave të muskujve kontraktues). Astbury studioi marrëdhënien midis strukturës molekulare dhe karakteristikave biologjike, fizike të këtyre proteinave. Në fillim të shfaqjes së biologjisë molekulare, ARN konsiderohej të ishte një përbërës vetëm i bimëve dhe kërpudhave, dhe ADN - vetëm kafshëve. Dhe ne 1935 Zbulimi i ADN-së së bizeles nga Andrei Belozersky çoi në vendosjen e faktit se ADN-ja gjendet në çdo qelizë të gjallë.

NË 1940 Një arritje kolosale ishte vendosja nga George Beadle dhe Edward Tatham e një marrëdhënieje shkakësore midis gjeneve dhe proteinave. Hipoteza e shkencëtarëve "Një gjen - një enzimë" formoi bazën për konceptin se struktura specifike e një proteine rregullohet nga gjenet. Besohet se informacioni gjenetik është i koduar nga një sekuencë e veçantë e nukleotideve në ADN që rregullon strukturën parësore të proteinave. Më vonë u vërtetua se shumë proteina kanë një strukturë kuaternare. Në formimin e strukturave të tilla marrin pjesë zinxhirë të ndryshëm peptidikë. Bazuar në këtë, dispozita për marrëdhëniet midis një gjeni dhe një enzimë është transformuar disi, dhe tani tingëllon si "Një gjen - një polipeptid".

NË 1944 Në vitin 1999, biologu amerikan Oswald Avery dhe kolegët e tij (Colin McLeod dhe McLean McCarthy) vërtetuan se substanca që shkakton transformimin e baktereve është ADN-ja, jo proteinat. Eksperimenti shërbeu si provë e rolit të ADN-së në transmetimin e informacionit trashëgues, duke tejkaluar njohuritë e vjetruara rreth natyrës proteinike të gjeneve.

Në fillim të viteve 1950, Frederick Sanger tregoi se një zinxhir proteinash është një sekuencë unike e mbetjeve të aminoacideve. NË 1951 Dhe 1952 vjet, shkencëtari përcaktoi sekuencën e plotë të dy zinxhirëve polipeptidë - insulinës së gjedhit NË(30 mbetje aminoacide) dhe A(21 mbetje aminoacide respektivisht).

Rreth të njëjtën kohë, në 1951–1953 Erwin Chargaff formuloi rregullat për raportin e bazave azotike në ADN. Sipas rregullit, pavarësisht nga dallimet e specieve të organizmave të gjallë në ADN-në e tyre, sasia e adeninës (A) është e barabartë me sasinë e timinës (T), dhe sasia e guaninës (G) është e barabartë me sasinë e citozinës (C).

NË 1953 vërtetoi rolin gjenetik të ADN-së. James Watson dhe Francis Crick, bazuar në rrezet X të ADN-së të marra nga Rosalind Franklin dhe Maurice Wilkins, krijuan strukturën hapësinore të ADN-së dhe parashtruan një supozim të konfirmuar më vonë në lidhje me mekanizmin e riprodhimit të saj (dyfishimit), i cili qëndron në themel të trashëgimisë.

1958 viti - formimi i dogmës qendrore të biologjisë molekulare nga Francis Crick: transferimi i informacionit gjenetik shkon në drejtimin e ADN → ARN → proteina.

Thelbi i dogmës është se në qeliza ekziston një rrjedhë e caktuar e drejtuar informacioni nga ADN-ja, e cila, nga ana tjetër, është teksti origjinal gjenetik, i përbërë nga katër shkronja: A, T, G dhe C. Është shkruar në spirale të dyfishtë të ADN-së në formën e sekuencave të këtyre shkronjave - nukleotide.

Ky tekst është duke u transkriptuar. Dhe procesi quhet transkriptimi. Gjatë këtij procesi sintetizohet ARN, e cila është identike me tekstin gjenetik, por me një ndryshim: në ARN, në vend të T, ka U (uracil).

Kjo ARN quhet ARN lajmëtare (mARN), ose matricë (mARN). Transmetimi mRNA kryhet duke përdorur kodin gjenetik në formën e sekuencave të trefishta të nukleotideve. Gjatë këtij procesi, teksti i acideve nukleike të ADN-së dhe ARN-së përkthehet nga një tekst me katër shkronja në një tekst me njëzet shkronja të aminoacideve.

Ekzistojnë vetëm njëzet aminoacide natyrore, dhe ka katër shkronja në tekstin e acideve nukleike. Për shkak të kësaj, ekziston një përkthim nga alfabeti me katër shkronja në alfabetin me njëzet shkronja përmes kodit gjenetik, në të cilin çdo tre nukleotide korrespondon me një aminoacid. Pra, mund të bëni 64 kombinime të plota me tre shkronja nga katër shkronja, për më tepër, janë 20 aminoacide. Nga kjo rrjedh se kodi gjenetik duhet të ketë domosdoshmërisht vetinë e degjenerimit. Sidoqoftë, në atë kohë kodi gjenetik nuk dihej, përveç kësaj, ai as që kishte filluar të deshifrohej, por Crick kishte formuluar tashmë dogmën e tij qendrore.

Megjithatë, ekzistonte një siguri se kodi duhet të ekzistonte. Deri në atë kohë, ishte vërtetuar se ky kod kishte një karakter treshe. Kjo do të thotë se konkretisht tre shkronja në acidet nukleike ( kodonet) korrespondojnë me çdo aminoacid. Janë 64 nga këto kodone, ato kodojnë për 20 aminoacide. Kjo do të thotë se çdo aminoacid korrespondon me disa kodone në të njëjtën kohë.

Kështu, mund të konkludojmë se dogma qendrore është një postulat që thotë se një rrjedhë e drejtuar informacioni ndodh në qelizë: ADN → ARN → proteina. Crick theksoi përmbajtjen kryesore të dogmës qendrore: një rrjedhë e kundërt e informacionit nuk mund të ndodhë, një proteinë nuk është e aftë të ndryshojë informacionin gjenetik.

Ky është kuptimi kryesor i dogmës qendrore: një proteinë nuk është në gjendje të ndryshojë dhe transformojë informacionin në ADN (ose ARN), rrjedha gjithmonë shkon vetëm në një drejtim.

Disa kohë pas kësaj, u zbulua një enzimë e re, e cila nuk ishte e njohur në kohën e formulimit të dogmës qendrore, - transkriptaza e kundërt që sintetizon ADN-në nga ARN. Enzima u zbulua në viruse, në të cilat informacioni gjenetik është i koduar në ARN, jo në ADN. Viruse të tilla quhen retroviruse. Ata kanë një kapsulë virale me ARN të mbyllur në të dhe një enzimë të veçantë. Enzima është një transkriptazë e kundërt që sintetizon ADN-në sipas shabllonit të kësaj ARN virale, dhe kjo ADN më pas shërben si material gjenetik për zhvillimin e mëtejshëm të virusit në qelizë.

Sigurisht, ky zbulim shkaktoi tronditje të madhe dhe shumë polemika midis biologëve molekularë, pasi besohej se, bazuar në dogmat qendrore, kjo nuk mund të ishte. Megjithatë, Crick shpjegoi menjëherë se ai kurrë nuk tha se ishte e pamundur. Ai vetëm tha se nuk mund të ketë kurrë një rrjedhë informacioni nga proteina në acidet nukleike, dhe tashmë brenda acideve nukleike çdo lloj procesi është mjaft i mundshëm: sinteza e ADN-së në ADN, ADN-së në ARN, ARN-së në ADN dhe ARN-së në ARN.

Pas formulimit të dogmës qendrore, një numër pyetjesh mbetën ende: si alfabeti i katër nukleotideve që përbëjnë ADN-në (ose ARN) kodojnë alfabetin prej 20 shkronjash të aminoacideve që përbëjnë proteinat? Cili është thelbi i kodit gjenetik?

Idetë e para për ekzistencën e kodit gjenetik u formuluan nga Alexander Downes ( 1952 d.) dhe Georgy Gamov ( 1954 G.). Shkencëtarët kanë treguar se sekuenca e nukleotideve duhet të përfshijë të paktën tre lidhje. Më vonë u vërtetua se një sekuencë e tillë përbëhet nga tre nukleotide, të quajtura kodoni (treshe). Sidoqoftë, pyetja se cilat nukleotide janë përgjegjëse për përfshirjen e cilit aminoacid në një molekulë proteine mbeti e hapur deri në vitin 1961.

Dhe ne 1961 Marshall Nirenberg, së bashku me Heinrich Mattei, përdorën sistemin për të transmetuar in vitro. Një oligonukleotid u përdor si shabllon. Ai përmbante vetëm mbetje uracil, dhe peptidi i sintetizuar prej tij përfshinte vetëm aminoacidin fenilalaninë. Kështu, kuptimi i kodonit u vendos fillimisht: kodoni UUU kodon për fenilalaninën. Më vonë, Har Kur'ani zbuloi se sekuenca nukleotide UCUCUCUCUCUC kodon një grup aminoacidesh serinë-leucinë-serinë-leucinë. Në përgjithësi, falë veprave të Nirenbergut dhe Kuranit, të 1965 vit, kodi gjenetik u zbulua plotësisht. Doli se çdo treshe kodon një aminoacid specifik. Dhe rendi i kodoneve përcakton rendin e aminoacideve në proteinë.

Parimet kryesore të funksionimit të proteinave dhe acideve nukleike u formuluan nga fillimi i viteve '70. U zbulua se sinteza e proteinave dhe acideve nukleike kryhet sipas mekanizmit të matricës. Molekula e shabllonit mbart informacion të koduar në lidhje me sekuencën e aminoacideve ose nukleotideve. Gjatë replikimit ose transkriptimit, shablloni është ADN, dhe gjatë përkthimit dhe transkriptimit të kundërt, është mARN.

Kështu, u krijuan parakushtet për formimin e fushave të biologjisë molekulare, përfshirë inxhinierinë gjenetike. Dhe në vitin 1972, Paul Berg dhe kolegët zhvilluan teknologjinë e klonimit molekular. Shkencëtarët kanë marrë ADN-në e parë rekombinante in vitro. Këto zbulime të jashtëzakonshme formuan bazën e një drejtimi të ri në biologjinë molekulare dhe 1972 viti është konsideruar që atëherë si data e lindjes së inxhinierisë gjenetike.

3. Metodat e biologjisë molekulare

Përparimet e mëdha në studimin e acideve nukleike, strukturën e ADN-së dhe biosintezën e proteinave kanë çuar në krijimin e një sërë metodash me rëndësi të madhe në mjekësi, bujqësi dhe shkencë në përgjithësi.

Pas studimit të kodit gjenetik dhe parimeve bazë të ruajtjes, transmetimit dhe zbatimit të informacionit trashëgues, u bënë të nevojshme metoda të veçanta për zhvillimin e mëtejshëm të biologjisë molekulare. Këto metoda do të lejonin që gjenet të manipulohen, ndryshohen dhe izolohen.

Shfaqja e metodave të tilla ndodhi në vitet 1970 dhe 1980. Kjo i dha një shtysë të madhe zhvillimit të biologjisë molekulare. Para së gjithash, këto metoda lidhen drejtpërdrejt me prodhimin e gjeneve dhe futjen e tyre në qelizat e organizmave të tjerë, si dhe mundësinë e përcaktimit të sekuencës nukleotide në gjene.

3.1. Elektroforeza e ADN-së

Elektroforeza e ADN-sëështë metoda bazë e punës me ADN-në. Elektroforeza e ADN-së përdoret së bashku me pothuajse të gjitha metodat e tjera për të izoluar molekulat e dëshiruara dhe për të analizuar më tej rezultatet. Vetë metoda e elektroforezës me xhel përdoret për të ndarë fragmentet e ADN-së sipas gjatësisë.

Para ose pas elektroforezës, xheli trajtohet me ngjyra që mund të lidhen me ADN-në. Ngjyrat fluoreshenojnë në dritën ultravjollcë, duke rezultuar në një model brezash në xhel. Për të përcaktuar gjatësinë e fragmenteve të ADN-së, ato mund të krahasohen me shënues- grupe fragmentesh me gjatësi standarde, të cilat aplikohen në të njëjtin xhel.

Proteinat fluoreshente

Gjatë studimit të organizmave eukariote, është e përshtatshme të përdoren proteinat fluoreshente si gjene shënues. Gjeni për proteinën e parë fluoreshente të gjelbër ( proteina fluoreshente jeshile, GFP) të izoluara nga kandil deti Aqeuorea Victoria dhe më pas futet në organizma të ndryshëm. Pas kësaj, gjenet për proteinat fluoreshente të ngjyrave të tjera u izoluan: blu, e verdhë, e kuqe. Për të marrë proteina me veti me interes, gjene të tilla janë modifikuar artificialisht.

Në përgjithësi, mjetet më të rëndësishme për të punuar me molekulën e ADN-së janë enzimat që kryejnë një numër transformimesh të ADN-së në qeliza: ADN polimeraza, Ligazat e ADN-së Dhe kufizon (endonukleazat e kufizimit).

transgjeneza

transgjeneza Quhet transferimi i gjeneve nga një organizëm në tjetrin. Organizma të tillë quhen transgjenike.

Preparatet e proteinave rekombinante fitohen vetëm duke transferuar gjenet në qelizat e mikroorganizmave. Shumica e këtyre proteinave janë interferonet, insulinë, disa hormone proteinike, si dhe proteina për prodhimin e një numri vaksinash.

Në raste të tjera, përdoren kultura qelizore të eukariotëve ose kafshëve transgjenike, kryesisht blegtorale, të cilat sekretojnë proteinat e nevojshme në qumësht. Në këtë mënyrë fitohen antitrupa, faktorë të koagulimit të gjakut dhe proteina të tjera. Metoda e transgjenezës përdoret për të marrë kultura rezistente ndaj dëmtuesve dhe herbicideve, dhe ujërat e zeza trajtohen me ndihmën e mikroorganizmave transgjenikë.

Përveç të gjitha sa më sipër, teknologjitë transgjenike janë të domosdoshme në kërkimin shkencor, sepse zhvillimi i biologjisë është më i shpejtë me përdorimin e metodave të modifikimit dhe transferimit të gjeneve.

Kufizon

Sekuencat e njohura nga enzimat kufizuese janë simetrike, kështu që çdo lloj thyerjeje mund të ndodhë ose në mes të një sekuence të tillë, ose me një zhvendosje në një ose të dy vargjet e molekulës së ADN-së.

Kur ndahet çdo ADN me një enzimë kufizuese, sekuencat në skajet e fragmenteve do të jenë të njëjta. Ata do të jenë në gjendje të lidhen përsëri sepse kanë sajte plotësuese.

Ju mund të merrni një molekulë të vetme duke qepur këto sekuenca duke përdorur Ligazat e ADN-së. Për shkak të kësaj, është e mundur të kombinohen fragmente të dy ADN-së të ndryshme dhe të merret ADN-ja rekombinante.

3.2. PCR

Metoda bazohet në aftësinë e polimerazave të ADN-së për të kompletuar vargun e dytë të ADN-së përgjatë vargut plotësues në të njëjtën mënyrë si në procesin e replikimit të ADN-së në një qelizë.

3.3. Sekuenca e ADN-së

Zhvillimi i shpejtë i metodës së sekuencës bën të mundur përcaktimin efektiv të karakteristikave të organizmit në studim në nivelin e gjenomit të tij. Avantazhi kryesor i teknologjive të tilla gjenomike dhe postgjenomike është rritja e mundësive kërkimore dhe studimore. natyra gjenetike sëmundjet e njeriut, në mënyrë që të para-merrni masat e nevojshme dhe shmangni sëmundjet.

Nëpërmjet kërkimeve në shkallë të gjerë, është e mundur të merren të dhënat e nevojshme për karakteristikat e ndryshme gjenetike të grupeve të ndryshme të njerëzve, duke zhvilluar kështu metodat e mjekësisë. Për shkak të kësaj, identifikimi i një predispozicioni gjenetik ndaj sëmundjeve të ndryshme është shumë i popullarizuar sot.

Metoda të ngjashme janë gjerësisht të zbatueshme praktikisht në të gjithë botën, përfshirë Rusinë. Për shkak të përparimit shkencor, metoda të tilla po futen në kërkimin mjekësor dhe praktikë mjekësore përgjithësisht.

4. Bioteknologji

Bioteknologjia- një disiplinë që studion mundësitë e përdorimit të organizmave të gjallë ose sistemeve të tyre për zgjidhjen e problemeve teknologjike, si dhe krijimin e organizmave të gjallë me vetitë e dëshiruara nëpërmjet inxhinierisë gjenetike. Bioteknologjia zbaton metodat e kimisë, mikrobiologjisë, biokimisë dhe, natyrisht, biologjisë molekulare.

Drejtimet kryesore të zhvillimit të bioteknologjisë (parimet e proceseve bioteknologjike po futen në prodhimin e të gjitha industrive):

Krijimi dhe prodhimi i llojeve të reja të ushqimit dhe ushqimit të kafshëve.
Marrja dhe studimi i llojeve të reja të mikroorganizmave.
Mbarështimi i varieteteve të reja të bimëve, si dhe krijimi i mjeteve për mbrojtjen e bimëve nga sëmundjet dhe dëmtuesit.
Aplikimi i metodave bioteknologjike për nevojat e ekologjisë. Metoda të tilla të bioteknologjisë përdoren për riciklimin e depozitimit të mbeturinave, pastrimin Ujërat e zeza, ajri i shkarkimit dhe higjiena e tokave.
Prodhimi i vitaminave, hormoneve, enzimave, serumeve për nevojat e mjekësisë. Bioteknologët po zhvillohen të përmirësuara medikamente konsiderohej më parë e pashërueshme.

Një arritje e madhe në bioteknologji është inxhinieria gjenetike.

Inxhinieri gjenetike- një grup teknologjish dhe metodash për marrjen e molekulave të ARN-së dhe ADN-së rekombinante, izolimin e gjeneve individuale nga qelizat, manipulimin e gjeneve dhe futjen e tyre në organizma të tjerë (baktere, maja, gjitarë). Organizma të tillë janë në gjendje të prodhojnë produkte përfundimtare me vetitë e dëshiruara, të modifikuara.

Metodat e inxhinierisë gjenetike kanë për qëllim ndërtimin e kombinimeve të reja, jo-ekzistuese të gjeneve në natyrë.

Duke folur për arritjet e inxhinierisë gjenetike, është e pamundur të mos prekësh temën e klonimit. Klonimiështë një nga metodat e bioteknologjisë që përdoret për të marrë pasardhës identikë të organizmave të ndryshëm nëpërmjet riprodhimit aseksual.

Me fjalë të tjera, klonimi mund të konsiderohet si procesi i krijimit të kopjeve gjenetikisht identike të një organizmi ose qelize. Dhe organizmat e klonuar janë të ngjashëm ose plotësisht identikë jo vetëm në tiparet e jashtme, por edhe në përmbajtjen gjenetike.

Delja famëkeqe Dolly në vitin 1966 u bë gjitari i parë i klonuar. Ajo u përftua duke transplantuar bërthamën e një qelize somatike në citoplazmën e vezës. Dolly ishte një kopje gjenetike e deleve donatore të bërthamës. Në kushte natyrore, një individ formohet nga një vezë e fekonduar, pasi ka marrë gjysmën e materialit gjenetik nga dy prindër. Megjithatë, gjatë klonimit, materiali gjenetik është marrë nga qeliza e një individi. Së pari, bërthama, e cila përmban vetë ADN-në, u hoq nga zigota. Pastaj ata hoqën bërthamën nga qeliza e rritur e deleve dhe e mbollën në atë zigotë pa bërthamë, dhe më pas u transplantua në mitrën e një të rrituri dhe u lejua të rritet dhe të zhvillohet.

Megjithatë, jo të gjitha përpjekjet e klonimit kanë qenë të suksesshme. Paralelisht me klonimin e Dolly, u krye një eksperiment i zëvendësimit të ADN-së në 273 vezë të tjera. Por vetëm në një rast një kafshë e gjallë e rritur mund të zhvillohet dhe të rritet plotësisht. Pas Dolly, shkencëtarët u përpoqën të klononin lloje të tjera gjitarësh.

Një nga llojet e inxhinierisë gjenetike është redaktimi i gjenomit.

Mjeti CRISPR/Cas bazohet në një element të sistemit mbrojtës imunitar të baktereve, të cilin shkencëtarët e kanë përshtatur për të futur çdo ndryshim në ADN-në e kafshëve ose bimëve.

CRISPR/Cas është një nga metodat bioteknologjike për manipulimin e gjeneve individuale në qeliza. Ka shumë aplikime për këtë teknologji. CRISPR/Cas i lejon studiuesit të kuptojnë funksionin e gjeneve të ndryshme. Për ta bërë këtë, ju vetëm duhet të hiqni gjenin në studim nga ADN-ja dhe të studioni se cilat funksione të trupit janë prekur.

Disa aplikime praktike të sistemit:

Bujqësia. Nëpërmjet sistemeve CRISPR/Cas, të korrat mund të përmirësohen. Domethënë, për t'i bërë ato më të shijshme dhe ushqyese, si dhe rezistente ndaj nxehtësisë. Është e mundur t'i pajisni bimët me veti të tjera: për shembull, hiqni një gjen alergjen nga arrat (kikirikët ose lajthitë).
Mjekësi, sëmundje trashëgimore. Shkencëtarët kanë një qëllim që të përdorin CRISPR/Cas për të hequr mutacionet nga gjenomi i njeriut që mund të shkaktojnë sëmundje, të tilla si anemia drapërocitare, etj. Në teori, CRISPR/Cas mund të ndalojë zhvillimin e HIV.
Drejtimi i gjeneve. CRISPR/Cas mund të ndryshojë jo vetëm gjenomin e një kafshe ose bime individuale, por edhe grupin e gjeneve të një specieje. Ky koncept njihet si "ngasja e gjeneve". Çdo organizëm i gjallë kalon gjysmën e gjeneve të tij tek pasardhësit e tij. Por përdorimi i CRISPR/Cas mund të rrisë mundësinë e transferimit të gjeneve deri në 100%. Kjo është e rëndësishme në mënyrë që tipari i dëshiruar të përhapet më shpejt në të gjithë popullatën.

Shkencëtarët zviceranë kanë përmirësuar dhe modernizuar ndjeshëm metodën e redaktimit të gjenomit CRISPR/Cas, duke zgjeruar kështu aftësitë e saj. Megjithatë, shkencëtarët mund të modifikonin vetëm një gjen në një kohë duke përdorur sistemin CRISPR/Cas. Por tani studiuesit në ETH Cyrih kanë zhvilluar një metodë që mund të modifikojë njëkohësisht 25 gjene në një qelizë.

Për teknikën më të fundit, ekspertët përdorën enzimën Cas12a. Gjenetikët kanë klonuar me sukses majmunët për herë të parë në histori. "Mekanika popullore";

Nikolenko S. (2012). Gjenomika: Paraqitja e problemit dhe metodat e renditjes. "Past-shkencë".

Biologjia molekulare ka përjetuar një periudhë të zhvillimit të shpejtë të metodave të veta të kërkimit, e cila tani ndryshon nga biokimia. Këto përfshijnë, në veçanti, metodat e inxhinierisë gjenetike, klonimin, shprehjen artificiale dhe nokautin e gjeneve. Meqenëse ADN-ja është bartësi material i informacionit gjenetik, biologjia molekulare është bërë shumë më afër gjenetikës dhe gjenetika molekulare u formua në kryqëzim, e cila është një pjesë e gjenetikës dhe biologjisë molekulare. Ashtu si biologjia molekulare përdor gjerësisht viruset si një mjet kërkimi, virologjia përdor metodat e biologjisë molekulare për të zgjidhur problemet e saj. Teknologjia kompjuterike është e përfshirë në analizën e informacionit gjenetik, në lidhje me të cilin janë shfaqur fusha të reja të gjenetikës molekulare, të cilat ndonjëherë konsiderohen si disiplina të veçanta: bioinformatika, gjenomika dhe proteomika.

Historia e zhvillimit

Ky zbulim themelor u përgatit nga një fazë e gjatë kërkimi në gjenetikën dhe biokiminë e viruseve dhe baktereve.

Në vitin 1928, Frederick Griffith tregoi për herë të parë se një ekstrakt i baktereve patogjene të vrarë nga nxehtësia mund të transferonte tiparin e patogjenitetit te bakteret beninje. Studimi i transformimit bakterial çoi më tej në pastrimin e agjentit të sëmundjes, i cili, në kundërshtim me pritjet, doli të mos ishte një proteinë, por një acid nukleik. Vetë acidi nukleik nuk është i rrezikshëm, ai mbart vetëm gjenet që përcaktojnë patogjenitetin dhe vetitë e tjera të mikroorganizmit.

Në vitet 50 të shekullit XX, u tregua se bakteret kanë një proces primitiv seksual, ato janë në gjendje të shkëmbejnë ADN-në ekstrakromozomale, plazmidet. Zbulimi i plazmideve, si dhe transformimet, formuan bazën e teknologjisë plazmide të zakonshme në biologjinë molekulare. Një tjetër zbulim i rëndësishëm për metodologjinë ishte zbulimi në fillim të shekullit të 20-të i viruseve bakteriale, bakteriofagëve. Fagët gjithashtu mund të transferojnë materialin gjenetik nga një qelizë bakteriale në tjetrën. Infeksioni i baktereve nga fagët çon në një ndryshim në përbërjen e ARN-së bakteriale. Nëse, pa fagë, përbërja e ARN-së është e ngjashme me përbërjen e ADN-së bakteriale, atëherë pas infeksionit, ARN bëhet më e ngjashme me ADN-në e bakterofagëve. Kështu, u zbulua se struktura e ARN-së përcaktohet nga struktura e ADN-së. Nga ana tjetër, shkalla e sintezës së proteinave në qeliza varet nga sasia e komplekseve ARN-proteinë. Kështu u formulua Dogma qendrore e biologjisë molekulare: ADN ↔ ARN → proteina.

Zhvillimi i mëtejshëm i biologjisë molekulare u shoqërua si me zhvillimin e metodologjisë së saj, në veçanti, me shpikjen e një metode për përcaktimin e sekuencës nukleotide të ADN-së (W. Gilbert dhe F. Sanger, Çmimi Nobel në Kimi 1980), dhe zbulime të reja në fushën e kërkimit në strukturën dhe funksionimin e gjeneve (shih Historia e Gjenetikës). Nga fillimi i shekullit të 21-të, u morën të dhëna për strukturën parësore të të gjithë ADN-së njerëzore dhe një sërë organizmash të tjerë, më të rëndësishmit për mjekësinë, Bujqësia dhe kërkimi shkencor, i cili çoi në shfaqjen e disa fushave të reja në biologji: gjenomikë, bioinformatikë, etj.

Shiko gjithashtu

Biologjia molekulare (revistë)
Transkriptomika
Paleontologjia molekulare
EMBO - Organizata Evropiane për Biologjinë Molekulare

Letërsia

Këngëtarja M., Berg P. Gjenet dhe gjenomet. - Moskë, 1998.
Stent G., Kalindar R. Gjenetika molekulare. - Moskë, 1981.
Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Klonimi molekular. - 1989.
Patrushev L.I. Shprehja e gjeneve. - M.: Nauka, 2000. - 000 f., ill. ISBN 5-02-001890-2

Lidhjet

Fondacioni Wikimedia. 2010 .

Rrethi Ardatovsky i rajonit të Nizhny Novgorod
Rrethi Arzamas i rajonit të Nizhny Novgorod

Shihni se çfarë është "Biologjia Molekulare" në fjalorë të tjerë:

BIOLOGJI MOLEKULARE- studion bazat. vetitë dhe manifestimet e jetës në nivel molekular. Drejtimet më të rëndësishme në M. b. janë studime të organizimit strukturor dhe funksional të aparatit gjenetik të qelizave dhe mekanizmit për zbatimin e informacionit trashëgues ... ... Fjalor enciklopedik biologjik

BIOLOGJI MOLEKULARE- hulumton vetitë dhe manifestimet themelore të jetës në nivel molekular. Zbulon se si dhe në çfarë mase rritja dhe zhvillimi i organizmave, ruajtja dhe transmetimi i informacionit trashëgues, shndërrimi i energjisë në qelizat e gjalla dhe fenomene të tjera janë për shkak të ... Fjalori i madh enciklopedik

BIOLOGJI MOLEKULARE Enciklopedia moderne

BIOLOGJI MOLEKULARE- BIOLOGJIA MOLEKULARE, studimi biologjik i strukturës dhe funksionit të MOLEKULAVE që përbëjnë organizmat e gjallë. Fushat kryesore të studimit janë fizike dhe Vetitë kimike proteinat dhe ACIDET NUKLEIKE si ADN. Shiko gjithashtu… … Fjalor enciklopedik shkencor dhe teknik

Biologji Molekulare- një seksion i biol., i cili eksploron vetitë themelore dhe manifestimet e jetës në nivel molekular. Zbulon se si dhe në çfarë mase rritja dhe zhvillimi i organizmave, ruajtja dhe transmetimi i informacionit trashëgues, shndërrimi i energjisë në qelizat e gjalla dhe ... Fjalori i mikrobiologjisë

Biologji Molekulare- — Temat e bioteknologjisë EN biologjia molekulare… Manuali i Përkthyesit Teknik

Biologji Molekulare- BIOLOGJIA MOLEKULARE, hulumton vetitë dhe manifestimet themelore të jetës në nivel molekular. Zbulon se si dhe në çfarë mase rritja dhe zhvillimi i organizmave, ruajtja dhe transmetimi i informacionit trashëgues, shndërrimi i energjisë në qelizat e gjalla dhe ... Fjalor Enciklopedik i Ilustruar

Biologji Molekulare- një shkencë që vendos si detyrë njohjen e natyrës së fenomeneve të jetës duke studiuar objektet dhe sistemet biologjike në një nivel që i afrohet nivelit molekular dhe në disa raste duke arritur këtë kufi. Qëllimi përfundimtar i kësaj është…… Enciklopedia e Madhe Sovjetike

BIOLOGJI MOLEKULARE- studion dukuritë e jetës në nivel makromolekulash (ch. arr. proteina dhe acide nukleike) në strukturat pa qeliza (ribozomet etj.), në viruse, po ashtu edhe në qeliza. Qëllimi i M. vendosja e rolit dhe mekanizmit të funksionimit të këtyre makromolekulave bazuar në ... ... Enciklopedia Kimike

Biologji Molekulare- hulumton vetitë dhe manifestimet themelore të jetës në nivel molekular. Zbulon se si dhe në çfarë mase rritja dhe zhvillimi i organizmave, ruajtja dhe transmetimi i informacionit trashëgues, shndërrimi i energjisë në qelizat e gjalla dhe fenomene të tjera ... ... fjalor enciklopedik

libra

Biologjia molekulare e qelizës. Libri i Problemeve, J. Wilson, T. Hunt. Libri i autorëve amerikanë është një shtojcë e botimit të 2-të të tekstit "Biologjia molekulare e qelizës" nga B. Alberts, D. Bray, J. Lewis dhe të tjerë. Përmban pyetje dhe detyra, qëllimi i të cilave është të thellojë ...

Biologji Molekulare, një shkencë që vendos si detyrë njohjen e natyrës së fenomeneve jetësore duke studiuar objektet dhe sistemet biologjike në një nivel që i afrohet nivelit molekular dhe në disa raste duke arritur këtë kufi. Qëllimi përfundimtar në këtë rast është të zbulohet se si dhe në çfarë mase manifestimet karakteristike të jetës, siç janë trashëgimia, riprodhimi i llojit të vet, biosinteza e proteinave, ngacmueshmëria, rritja dhe zhvillimi, ruajtja dhe transmetimi i informacionit, shndërrimi i energjisë, lëvizshmëria, etj., përcaktohen nga struktura, vetitë dhe ndërveprimi i molekulave të molekulave të proteinave biologjikisht të larta, primare - biologjike. s dhe acidet nukleike. Një tipar dallues i M. b. - studimi i dukurive të jetës mbi sendet e pajetë ose ato që karakterizohen nga manifestimet më primitive të jetës. Këto janë formacione biologjike nga niveli qelizor dhe më poshtë: organele nënqelizore, si bërthamat e izoluara të qelizave, mitokondritë, ribozomet, kromozomet, membranat qelizore; më tej - sisteme që qëndrojnë në kufirin e natyrës së gjallë dhe të pajetë - viruset, duke përfshirë bakterofagët, dhe që mbarojnë me molekula komponentët kritikë materiet e gjalla - acidet nukleike dhe proteinat.

Themeli mbi të cilin u zhvillua M. u hodh nga shkenca të tilla si gjenetika, biokimia, fiziologjia e proceseve elementare etj. Sipas origjinës së zhvillimit të saj, M. b. është e lidhur pazgjidhshmërisht me gjenetikën molekulare, e cila vazhdon të jetë një pjesë e rëndësishme e

Një tipar dallues i M. b. është tredimensionaliteti i tij. Thelbi i M. b. M. Perutz e sheh atë në interpretimin e funksioneve biologjike në aspektin e strukturës molekulare. M. b. i vendos vetes detyrën për të marrë përgjigje për pyetjen "si", duke ditur thelbin e rolit dhe pjesëmarrjes së të gjithë strukturës së molekulës, dhe pyetjeve "pse" dhe "për çfarë", pasi të ketë zbuluar, nga njëra anë, lidhjet midis vetive të molekulës (përsëri, kryesisht proteinat dhe acidet nukleike) dhe funksionet e përgjithshme të vitaminave individuale dhe funksionet e tjera të kompleksit që kryen nga ana e saj. një aktivitet.

Arritjet më të rëndësishme të biologjisë molekulare. Këtu është një listë jo e plotë e këtyre arritjeve: zbulimi i strukturës dhe mekanizmit të funksionit biologjik të ADN-së, të gjitha llojet e ARN-së dhe ribozomeve, zbulimi i kodit gjenetik; zbulimi i transkriptimit të kundërt, d.m.th., sinteza e ADN-së në një shabllon ARN; studimi i mekanizmave të funksionimit të pigmenteve të frymëmarrjes; zbulimi i strukturës tredimensionale dhe roli i saj funksional në veprimin e enzimave, parimi i sintezës së matricës dhe mekanizmat e biosintezës së proteinave; zbulimi i strukturës së viruseve dhe mekanizmave të riprodhimit të tyre, strukturës parësore dhe pjesërisht hapësinore të antitrupave; izolimi i gjeneve individuale, sinteza e gjeneve kimike dhe më pas biologjike (enzimatike), duke përfshirë njeriun, jashtë qelizës (in vitro); transferimi i gjeneve nga një organizëm në tjetrin, duke përfshirë në qelizat njerëzore; deshifrimi me përparim të shpejtë i strukturës kimike të një numri në rritje të proteinave individuale, kryesisht enzimave, si dhe acideve nukleike; zbulimi i dukurive të “vetëmontimit” të disa objekteve biologjike me kompleksitet gjithnjë e më të madh, duke filluar nga molekulat e acidit nukleik e duke kaluar në enzimat shumëkomponente, viruset, ribozomet etj.; sqarimi i parimeve alosterike dhe të tjera themelore të rregullimit të funksioneve dhe proceseve biologjike.

Problemet e biologjisë molekulare. Së bashku me detyrat e rëndësishme të specifikuara, M. do. (njohja e ligjeve të "njohjes", vetë-montimit dhe integrimit) drejtimi aktual i kërkimit shkencor për të ardhmen e afërt është zhvillimi i metodave që lejojnë deshifrimin e strukturës, dhe më pas organizimin tredimensional, hapësinor të acideve nukleike me molekulare të lartë. Të gjitha metodat më të rëndësishme, përdorimi i të cilave siguroi shfaqjen dhe suksesin e M. b., u propozuan dhe u zhvilluan nga fizikanët (ultracentrifugimi, analiza e difraksionit me rreze X, mikroskopi elektronik, rezonanca magnetike bërthamore, etj.). Pothuajse të gjitha qasjet e reja eksperimentale fizike (për shembull, përdorimi i kompjuterëve, synchrotron, ose bremsstrahlung, rrezatimi, teknologjia lazer dhe të tjera) hapin mundësi të reja për një studim të thelluar të problemeve të M. b. Ndër detyrat më të rëndësishme të natyrës praktike, përgjigja e të cilave pritet nga M. b., në radhë të parë është problemi i bazës molekulare të rritjes malinje, pastaj - mënyrat e parandalimit, ndoshta dhe tejkalimit të sëmundjeve trashëgimore - "sëmundjet molekulare". Me rëndësi të madhe do të jetë sqarimi i bazës molekulare të katalizës biologjike, dmth. veprimit të enzimave. Ndër më të rëndësishmet trendet moderne M. b. duhet të përfshijë dëshirën për të deshifruar mekanizmat molekularë të veprimit të hormoneve, substancave toksike dhe medicinale, si dhe për të zbuluar detajet e strukturës molekulare dhe funksionimin e strukturave të tilla qelizore si membranat biologjike të përfshira në rregullimin e proceseve të depërtimit dhe transportit të substancave. Qëllime më të largëta M. b. - njohja e natyrës së proceseve nervore, mekanizmave të kujtesës, etj. Një nga seksionet e rëndësishme në zhvillim të M. b. - të ashtuquajturat. inxhinieri gjenetike, e cila vendos si detyrë funksionimin e qëllimshëm të aparatit gjenetik (gjenomit) të organizmave të gjallë, duke filluar nga mikrobet dhe më të ulëtat (njëqelizore) dhe duke përfunduar me njerëzit (në rastin e fundit, kryesisht për qëllime të trajtimit radikal të sëmundjeve trashëgimore dhe korrigjimit të defekteve gjenetike).

Drejtimet më të rëndësishme të MB:

- Gjenetika molekulare - studimi i organizimit strukturor dhe funksional të aparatit gjenetik të qelizës dhe mekanizmit për zbatimin e informacionit trashëgues

– Virologjia molekulare – studimi i mekanizmave molekularë të ndërveprimit të viruseve me qelizat

- Imunologjia molekulare - studimi i modeleve të reaksioneve imune të trupit

- Biologjia molekulare e zhvillimit - studimi i shfaqjes së diversitetit qelizor në rrjedhën e zhvillimit individual të organizmave dhe specializimit të qelizave

Objektet kryesore të kërkimit: Viruset (përfshirë bakterofagët), Qelizat dhe strukturat nënqelizore, Makromolekulat, Organizmat shumëqelizorë.