Реферат история развития молекулярной биологии

Обновлено: 05.07.2024

Методы современной МБ

Молекулярная биология наука, изучающая живые системы на молекулярном уровне. Перекрываясь с другими смежными областями биологии и химии, а именно с генетикой и биохимией, молекулярная биология изучает взаимодействия между различными системами живой клетки, включая процессы синтеза таких жизненно-важных биополимеров, как ДНК, РНК, и белков, а также взаимодействия, регулирующие эти процессы.

Исследователи, работающие в области молекулярной биологии, используют методы, как присущие только молекулярной биологии, так и биохимические и генетические методы. Нет четкой грани между этими разделами биологии. На рисунке 1 схематично показано

История молекулярной биологии начинается в 1930-е годы, когда сошлись пути ранее независимых дисциплин: биохимии, генетики, микробиологии и вирусологии . С надеждой на то, что эта наука объяснит живые процессы на самом фундаментальном уровне, многие физики и химики примкнули к зарождающейся области исследования, котороая впоследствии превратится в молекулярную биологию.

На ранних стадиях своего существования, молекулярная биология (этот термин был введен в употребление Вареном Вивером из Института Рокфеллера) являлась скорее идеальным вариантом для объяснения жизни с физико-химической точки зрения, чем логически последовательной дисциплиной. Вслед за открытием законов наследования Менделя в 1910-е, а так же появлением теории атома и квантовой механики в 1920-е эти объяснения казались весьма богатыми и многообещающими. Вивер и другие вкладывали средства и вдохновляли исследования к пересечению биологии, физики и химии. Тогда как выдающиеся физики того времени, как например, Нильс Бор и Эрвин Шредингер, всецело погрузились в биологические рассуждения. Однако в 30-40-е годы не было понятно, какое исследование на стыке наук (если оно вообще есть) принесет плоды; работы в области коллоидной химии, биофизики, также как и в радиационной биологии, кристаллографии и других областях казались многообещающими.

Таким образом, основные открытия в молекулярной биологии произошли в течение 25 лет. Еше 15 лет понадобилось для того, чтобы появились более сложные, новые методы, известные сегодня под названием генетической инженерии . Она позволила выделять и характеризовать гены сложных организмов.

Если рассматривать молекулярную революцию в рамках биологической истории, мы заметим, что она явилась кульминацией длительного процесса, который начался с первых наблюдений в микроскоп в 18 веке. Перед исследователями того времени стояла задача понять, как функционируют живые организмы на микроскопическом уровне. C конца 18 века уделялось все большее внимание установлению свойств химических молекул, составляющих живые организмы, параллельно с зарождением в 19 веке физиологической химии, основателем которой считается немецкий химик Юстус вон Либиг ( Justus von Liebig ), и последующим рождением в начале 20 века биохимии, благодаря еще одному немецкому исследователю, Эдуарду Бухнеру ( Eduard Buchner ). Между молекулами, изучаемыми химиками, и крошечными структурами, наблюдаемыми в микроскоп, такими как клеточное ядро или хромосомы, существовала область неизведанного. Немецкий физхимик Вольфганг Оствальд ( Wolfgang Ostwald ) назвал эту область “миром скрытых измерений”. Этот мир населяли коллойды, химические соединения, структура и свойства которых еще не были известны в то время.

Успехи в молекулярной биологии в исследовании этого неизвестного мира связаны с использованием новых методов, созданных химиками и физиками, такие как: дифракция рентгеновских лучей, ультрацентрифугирование и гель-электрофорез. Эти исследования позволили установить стурктуру и функции некоторых макромолекул.

Важной вехой в процессе познания неизведанного стала работа доктора Лайнуса Поллинга ( Dr . Linus Pauling ), который связал конкретную генетическую мутацию у пациентов с серповидно-клеточной анемией с найденными изменениями в структуре конкретного белка, гемоглобина.

Столкновение биохимии и генетики.

Толчком к развитию молекулярной биологии послужило столкновение двух дисциплин, которые значительно продвинулись в течение первых 30 лет двадцатого столетия: это биохимия и генетика. Первая изучает структуру и функцию молекул, которые составляют живые организмы. В период с 1900 по 1940 года были описаны основные процессы метаболизма: процессы расщепления и утилизации питательных элементов, получаемых с пищей, таких как например сахара. Каждый из этих процессов катализируется специальными ферментами. Ферменты, по своей структуре, являются белками, также как и антитела, присутствующие в крови. Следовательно, основной целью биохимиков стало изучение структуры и функции белковых молекул.

Вторая дисциплина, появившаяся в начале 20 века генетика.

Полимеразная цепная реакция.

В 1985 г. американский биохимик Кари Банкс Мюллис ( Kary Banks Mullis ) c коллегами опубликовали и запатентовали метод полимеразной цепной реакции (или сокращенно ПЦР), которому суждено было оказать глубочайшее влияние на все области исследования и прикладного использования нуклеиновых кислот. Значение этого метода для молекулярной биологии и генетики оказалось столь велико и очевидно, что уже через восемь лет (в 1993 году) автору была присуждена Нобелевская премия по химии.

ПЦР это экспериментальный метод молекулярной биологии, способ значительного увеличения малых концентраций определённых фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом материале (пробе).

Помимо простого увеличения числа копий ДНК (этот процесс называется амплификацией), ПЦР позволяет производить множество других манипуляций с генетическим материалом (введение мутаций, сращивание фрагментов ДНК), и широко используется в биологической и медицинской практике, например, для диагностики заболеваний (наследственных, инфекционных), для установления отцовства, для клонирования генов, введения мутаций, выделения новых генов.

Для осуществления реакции ПЦР в пробирке смешиваются: ДНК-матрица образец, содержащий ДНК, участок которой нужно “размножить”; пара праймеров коротких последовательностей ДНК, комплементарных ДНК-матрице, и обозначающих “начало” и “конец” участка ДНК, который подлежит амплификации; набор дезоксинуклеотидтрифосфатов (дНТФ) “составных частей” молекулы ДНК; специальный фермент ДНК-полимераза, осуществляющий синтез новой цепи ДНК по уже имеющейся цепи; а также солевой буфер для эффективной работы фермента. Реакция проводится в специальном приборе, ПЦР-амплификаторе, позволяющим выдерживать циклы с заданной температурой и длительностью цикла.

Разработка метода ПЦР во многом расширила методические возможности молекулярной генетики, и, в частности, генной инженерии, причем настолько, что это кардинально изменило и усилило научный потенциал многих ее направлений.

В настоящее время разработано масса модификаций классической ПЦР: множественная, ассиметричная, гнездовая, с “горячим стартом”, аллель-специфичная, ПЦР в реальном времени и т.д.

Гель-электрофорез это метод, позволяющий разделять молекулы ДНК, РНК и белков в полимерной матрице под действием электрического поля. Обычно используется как аналитический метод, но так же может быть использован и в препаративных целях, например, для частичной очистки перед использованием других методов (масс-спектрометрия, ПЦР, клонирование).

Слово “гель” в названии метода обозначает полимерно-сшитую матрицу, в которой происходит разделение. Для разделения белков и малых фрагментов ДНК (до 100 пар оснований) обычно используют гель с различными концентрациями акриламида и сшивателя (бис-акриламида). При разделении больших фрагментов ДНК и РНК используют матрицы из очищенной агарозы, компонента агара экстракта красной морской водоросли. Слово “электрофорез” в названии относится к электродвижущей силе, которая заставляет заряженные молекулы двигаться в полимерной матрице.

По окончании электрофореза (обычно 1-2 часа), разделяемые молекулы располагаются в разных местах геля, в зависимости от их размера, и, как следствие, их электрофоретической подвижности. Гели с белковыми молекулами визуализируются при помощи специальных красителей (Кумасси, нитрат серебра), а агарозные гели с нуклеиновыми кислотами обычно окрашиваются флуоресцентным красителем этидиум бромидом, и просматриваются в ультрафиолетовом свете.

Изобретателем данного метода считается английский ученый Оливер Смитис ( Oliver Smithies ), а датой изобретения 1950 г., хотя первые разделения в сахарозных гелях были проведены еще в 1930-х гг. Полиакриламидные гели впервые вошли в практику молекулярных биологов в 1959 г., благодаря работам Самюэля Раймонда ( Samuel Raymond ) и Льюиса Вайнтрауба ( Lewis Weintraub ), а агарозные в конце 1970-х.

В 1969 г. впервые в качестве денатурирующего агента в гель-электрофорезе белков был использован додецилсульфат натрия (ДСН). А в 1970 г. Ульрих К. Лэммли ( Ulrich K . Laemmli ), используя ДСН, разделил 28 белковых компонентов бактериофага Т4 в полиакриламидном геле (сокращенно ДСН-ПААГ). С тех пор фамилия швейцарского ученого стала именем нарицательным, а метод разделения, использованный в его работе стали называть “гель-электрофорезом по Лэммли”. Существуют также и другие методики ДСН-ПААГ, например гель-электрофорез в Трис-трициновой системе, впервые использованный в работе [].

В 1983 г. появились модификации метода: гель-электрофорез в импульсном электрическом поле, для разделения больших фрагментов ДНК, а также достаточно дорогостоящая методика капиллярного элеткрофореза.

Саузерн-блот это метод, используемый в молекулярный биологии, для анализа наличия ДНК-последовательности в ДНК-образце. Саузерн-блот включает в себя электрофоретическое разделение ДНК и методы переноса фрагментов ДНК из агарозного геля на мембрану под действием электрического поля для дальнейшего анализа с помощью ДНК-гибридизации.

Метод назван в честь своего изобретателя сэра Эдвина Саузерна ( Sir Edwin Southern ), британского исследователя, ныне профессора Оксфордского Университета. В своей работе, опубликованной в 1975 г.[], он описал новую в то время методику переноса фрагментов ДНК из агарозного геля на нитратные фильтры. Далее фильтры инкубируются (гибридизуются) с радиоактивно меченным ДНК-зондом и затем ДНК-гибриды могут быть визуализированы авторадиографией.

Рис. 1. Взаимоотношения областей биологии: молекулярной биологии, биохимии и генетики.

Молекулярная биология - это наука о механизмах хранения, воспроизведения, передачи и реализации генетической информации, о структуре и функциях нерегулярных биополимеров – нуклеиновых кислот и белков.

Начав с изучения биологических процессов на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген -один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

4. Академический период с 1962 г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.

1967 г . Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии).

1970 г . Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, ДэвидБалтимор, Ренато Дульбеко.

Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.

Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.

В 1944 г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти в варианте смешивания бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора.

2 . 1952 г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз. Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях. Е. coli - кишечная палочка (эубактерия).

Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой ( S 35 ), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р 32 ), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали.

В смывных водах не обнаруживали Р 32 , а в бактериях - S 35 . Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

Отсюда следовал однозначный вывод о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, тик и о синтезе фаговых белков.

Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком.

На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.

История молекулярной биологии начинается в 1930х годах с объединения ранее отдельных биологических дисциплин. Кроме того, в надежде, что новая дисциплина откроет возможности понимания фундаментальных основ жизни, в нее пришли многие химики и физики.

Соединению была приписана брутто-формула C₂₉H₄₉N₉O₂₂P₃. Позже он очистил образец и в 1889 г. его ученик, назвал его нуклеиновой кислотой. В 1919 г. в Рокфеллеровском институте был проведен химический анализ нуклеиновой кислоты, в составе которой были идентифицированы четыре азотистых основания, сахар и фосфат, соединенные между собой ковалентными связями в порядке фосфат-сахар-основание. Каждая из этих единиц получила название . Однако поначалу предполагалось, что четыре нуклеотида соединены между собой в короткие цепи одинаковой структуры. Лишь в 1934 г. Эйнар Хаммерстен показал, что ДНК - это полимер.

Началом и основой становления молекулярной биологии как науки стали опыты по доказательству генетической роли нуклеиновых кислот

Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот

1. 1928 г. Опыты Фредерика Гриффита.

Определение:

Трансформирующими фактором оказалась ДНК.

2. 1952 г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз. Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях. Е. coli - кишечная палочка (эубактерия).

Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали.

В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35. Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.

3. 1957 г. Опыты Френкеля - Конрата.

Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.

2. Основные этапы развития молекулярной биологии

1. Первый романтический период 1935-1944 гг.

На заре возникновения молекулярной биологии РНК считалась компонентом растений и грибов, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток. Первым исследователем, доказавшим, что ДНК содержится в растениях, был Андрей Николаевич Белозерский, выделивший в 1935 году ДНК гороха. Это открытие установило тот факт, что ДНК является универсальной нуклеиновой кислотой, присутствующей в клетках растений и животных.

Серьёзным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Татумом прямой причинно-следственной связи между генами и белками. В своих экспериментах они подвергали клетки нейроспоры (Neurospora crassa) рентгеновскому облучению, вызывавшему мутации. Полученные результаты показали, что это приводило к изменению свойств специфических ферментов.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген — один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

В 1940 году Альбер Клод выделил из цитоплазмы животных клеток цитоплазматические РНК-содержащие гранулы, которые были меньше митохондрий. Он назвал их микросомами. Впоследствии при исследовании структуры и свойств выделенных частиц была установлена их основополагающая роль в процессе биосинтеза белка. В 1958 году на первом симпозиуме, посвящённом этим частицам, было принято решение называть эти частицы рибосомами.

2. Второй романтический период 1944-1953гг.

1944 г. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти доказали роль ДНК в хранении генетической информации.

В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

Френсис Крик родился в Нортхемптоне (Великобритания). В 1937 году окончил Университетский колледж в Лондоне. С 1937 преподавал в Кембриджском университете. С 1939 по 1947 год работал в США. С 1977 года – в Биологическом институте в Сан-Диего (США). Вместе с Джеймсом Уотсоном разработал знаменитую модель ДНК – двойную спираль. В опытах на фагах установил основные принципы генетического кода. Член Лондонского королевского общества (с 1959 года), Национальной Академии наук США, Германской академии наук, почетный член Американской академии искусств и наук (с 1962 года).

Джеймс Дьюи Уотсон (род.1928), США

Джеймс Уотсон родился в Чикаго. Окончил Чикагский университет в 1947 году как зоолог. Работал в Индианском университете. Вирусолог С. Лурия посоветовал ему заняться ДНК. Уотсон поехал в Данию, и немного поработал в Копенгагенском университете, откуда перебрался в Кембриджский. Там Уотсон вместе с Френсисом Криком предложил знаменитую модель ДНК – двойную спираль.

Работал также в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. С 1956 года преподавал биологию в Гарвардском университете. С 1962 года консультант президента США по науке, с 1968 года – директор лаборатории в Колд-Спрингс-Харборе (штат Нью-Йорк). Изучал структуру вирусов и их роль в онкогенезе, исследовал бактериальные рибосомы и роль РНК в синтезе белка.

Романтизм как литературное направление: В России романтизм, как литературное направление, впервые появился .

Задачи и функции аптечной организации: Аптеки классифицируют на обслуживающие население; они могут быть.

Обзор

Молекулярный биолог Пробирочка

Автор

Редакторы

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

1. Введение. Сущность молекулярной биологии

Молекулярная биология изучает основы жизнедеятельности организмов на уровне макромолекул. Целью молекулярной биологии является установление роли и механизмов функционирования этих макромолекул на основе знаний об их структурах и свойствах.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих нуклеиновые кислоты и белки. В то время как биохимия исследует обмен веществ, химический состав живых клеток, организмов и осуществляемые в них химические процессы, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении механизмов передачи, воспроизведения и хранения генетической информации.

А объектом изучения молекулярной биологии являются сами нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновые (ДНК), рибонуклеиновые (РНК) — и белки, а также их макромолекулярные комплексы — хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биология также граничит по объектам исследования и частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, биохимией и рядом других смежных биологических наук.

2. Исторический экскурс по этапам развития молекулярной биологии

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери с коллегами (Колином Маклеодом и Маклином Маккарти) доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК, а не белки. Эксперимент послужил доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации, перечеркнув устаревшие знания о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сенгер показал, что белковая цепь — уникальная последовательность аминокислотных остатков. В 1951 и 1952 годах ученый определил полную последовательность двух полипептидных цепей — бычьего инсулина В (30 аминокислотных остатков) и А (21 аминокислотный остаток) соответственно.

Примерно в то же время, в 1951–1953 гг., Эрвин Чаргафф сформулировал правила о соотношении азотистых оснований в ДНК. Согласно правилу, вне зависимости от видовых различий живых организмов в их ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C).

В 1953 году доказана генетическая роль ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгенограммы ДНК, полученной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом, установили пространственную структуру ДНК и выдвинули подтвердившееся позднее предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.

1958 год — формирование центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсисом Криком: перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

Суть догмы состоит в том, что в клетках имеется определенный направленный поток информации от ДНК, которая, в свою очередь, представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Он записан в двойной спирали ДНК в виде последовательностей этих букв — нуклеотидов.

Этот текст транскрибируется. А сам процесс называется транскрипцией. В ходе данного процесса происходит синтез РНК, которая является идентичной генетическому тексту, но с отличием: в РНК вместо T стоит U (урацил).

Данная РНК называется информационной РНК (иРНК), или матричной (мРНК). Трансляция иРНК осуществляется при помощи генетического кода в виде триплетных последовательностей нуклеотидов. В ходе этого процесса происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного текста в двадцатибуквенный текст аминокислот.

Природных аминокислот существует всего двадцать, а букв в тексте нуклеиновых кислот четыре. Из-за этого происходит перевод из четырехбуквенного алфавита в двадцатибуквенный посредством генетического кода, в котором каждым трем нуклеотидам соответствует какая-либо аминокислота. Так можно сделать из четырех букв целые 64 трехбуквенные комбинации, притом что аминокислот 20. Из этого следует, что генетический код обязательно должен иметь свойство вырожденности. Однако в то время генетический код не был известен, к тому же его даже не начали расшифровывать, но Крик уже сформулировал свою центральную догму.

Тем не менее была уверенность в том, что код должен существовать. К тому времени было доказано, что этот код обладает триплетностью. Это означает, что конкретно три буквы в нуклеиновых кислотах (кодóны) отвечают какой-либо аминокислоте. Этих кодонов всего 64, они кодируют 20 аминокислот. Это означает, что каждой аминокислоте отвечает сразу несколько кодонов.

Таким образом, можно сделать вывод, что центральная догма является постулатом, который гласит о том, что в клетке происходит направленный поток информации: ДНК → РНК → белок. Крик сделал акцент на главном содержании центральной догмы: обратного потока информации происходить не может, белок не способен изменять генетическую информацию.

В этом и заключается основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменять и преобразовывать информацию в ДНК (или РНК), поток всегда идет лишь в одну сторону.

Спустя время после этого был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы, — обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по РНК. Фермент был открыт в вирусах, у которых генетическая информация закодирована в РНК, а не в ДНК. Такие вирусы называют ретровирусами. Они имеют вирусную капсулу с заключенными в нее РНК и специальным ферментом. Фермент и есть обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице этой вирусной РНК, а эта ДНК потом уже служит генетическим материалом для дальнейшего развития вируса в клетке.

Конечно, данное открытие вызвало большой шок и множество споров среди молекулярных биологов, поскольку считалось, что, исходя из центральной догмы, этого быть не может. Однако Крик сразу объяснил, что он никогда не говорил, что это невозможно. Он говорил лишь то, что никогда не может происходить поток информации от белка к нуклеиновым кислотам, а уже внутри нуклеиновых кислот любого рода процессы вполне возможны: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

После формулирования центральной догмы по-прежнему оставался ряд вопросов: как алфавит из четырех нуклеотидов, составляющих ДНК (или РНК), кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят белки? В чем состоит сущность генетического кода?

Первые идеи о существовании генетического кода сформулировали Александр Даунс (1952 г.) и Георгий Гамов (1954 г.). Ученые показали, что последовательность нуклеотидов должна включать в себя не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном (триплетом). Тем не менее вопрос о том, какие нуклеотиды ответственны за включение какой аминокислоты в белковую молекулу, оставался открытым до 1961 года.

А в 1961 году Маршалл Ниренберг вместе с Генрих Маттеи использовали систему для трансляции in vitro. В роли матрицы взяли олигонуклеотид. В его состав входили только остатки урацила, а пептид, синтезированный с него, включал только аминокислоту фенилаланин. Таким образом впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин. Поле них Хар Корана выяснил, что последовательность нуклеотидов UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин—лейцин—серин—лейцин. По большому счету, благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был полностью разгадан. Выяснилось, что каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. А порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.

Главные принципы функционирования белков и нуклеиновых кислот сформулировали к началу 70-х годов. Было зафиксировано, что синтез белков и нуклеиновых кислот осуществляется по матричному механизму. Молекула-матрица несет закодированную информацию о последовательности аминокислот или нуклеотидов. При репликации или транскрипции матрицей служит ДНК, при трансляции и обратной транскрипции — иРНК.

Так были созданы предпосылки для формирования направлений молекулярной биологии, в том числе и генной инженерии. А в 1972 году Пол Берг с коллегами разработал технологию молекулярного клонирования. Ученые получили первую рекомбинантную ДНК in vitro. Эти выдающиеся открытия легли в основу нового направления молекулярной биологии, а 1972 год с тех пор считается датой рождения генной инженерии.

3. Методы молекулярной биологии

Колоссальные успехи в изучении нуклеиновых кислот, строении ДНК и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое значение в медицине, сельском хозяйстве и науке в целом.

После изучения генетического кода и основных принципов хранения, передачи и реализации наследственной информации для дальнейшего развития молекулярной биологии стали необходимы специальные методы. Эти методы позволили бы проводить манипуляции с генами, изменять и выделять их.

Появление таких методов произошло в 1970–1980-х годах. Это дало огромный толчок развитию молекулярной биологии. В первую очередь, эти методы напрямую связаны с получением генов и их внедрением в клетки других организмов, а еще с возможностью определения последовательности нуклеотидов в генах.

3.1. Электрофорез ДНК

Электрофорез ДНК является базовым методом работы с ДНК. Электрофорез ДНК применяется вместе почти со всеми остальными методами для выделения нужных молекул и дальнейшего анализа результатов. Сам метод электрофореза в геле используется для разделения фрагментов ДНК по длине.

Предварительно или после электрофореза гель обрабатывается красителями, которые способны связаться с ДНК. Красители флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, получается картина из полос в геле. Для определения длин фрагментов ДНК их можно сравнить с мáркерами — наборами фрагментов стандартных длин, которые наносятся на тот же гель.

Флуоресцентные белки

При исследовании эукариотических организмов в качестве генов-мáркеров сподручно использовать флуоресцентные белки. Ген первого зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP) выделили из медузы Aqeuorea victoria, после чего внедрили в различные организмы. После выделяли гены флуоресцентных белков других цветов: синих, желтых, красных. Чтобы получить белки с интересующими свойствами, такие гены были модифицированы искусственно.

Вообще, важнейшими инструментами для работы с молекулой ДНК являются ферменты, осуществляющие ряд превращений ДНК в клетках: ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы).

Трансгенез

Трансгенезом называется перенос генов из одного организма в другой. А такие организмы называются трансгенными.

Рекомбинантные белковые препараты как раз получают методом переноса генов в клетки микроорганизмов. В основном такими белковыми препаратами являются интерфероны, инсулин, некоторые белковые гормоны, а также белки для производства ряда вакцин.

В иных случаях применяют клеточные культуры эукариот или трансгенных животных, по большей степени, скот, который выделяет нужные белки в молоко. Таким образом получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Метод трансгенеза используют для получения культурных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, а при помощи трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды.

Помимо всего перечисленного, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях, ведь развитие биологии происходит быстрее с применением методов модификации и переноса генов.

Рестриктазы

Распознаваемые рестриктазами последовательности являются симметричными, поэтому всякого рода разрывы могут происходить либо в середине такой последовательности, либо со сдвигом в одной или обеих нитях молекулы ДНК.

При расщеплении любой ДНК рестриктазой, последовательности на концах фрагментов будут одинаковыми. Они смогут снова соединяться, поскольку имеют комплементарные участки.

Получить единую молекулу можно, сшив данные последовательности при помощи ДНК-лигазы. За счет этого возможно объединять фрагменты двух разных ДНК и получать рекомбинантные ДНК.

3.2. ПЦР

В основе метода лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити так же, как при процессе репликации ДНК в клетке.

3.3. Секвенирование ДНК

Стремительное развитие метода секвенирования позволяет эффективно определять особенности исследуемого организма на уровне его генома. Главным преимуществом таких геномных и постгеномных технологий является увеличение возможностей исследования и изучения генетической природы заболеваний человека, для того чтобы заранее принять необходимые меры и избежать болезней.

За счет крупных исследований возможно получать необходимые данные о различных генетических характеристиках разных групп людей, тем самым развивая методы медицины. Из-за этого выявление генетической расположенности к различным заболеваниям сегодня пользуется огромной популярностью.

Подобные методы широко применимы практически во всем мире, в том числе и в России. Из-за научного прогресса происходит внедрение таких методов в медицинские исследования и медицинскую практику в целом.

4. Биотехнология

Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов или их систем для решения технологических задач, а еще создания живых организмов с нужными свойствами путем генной инженерии. Биотехнология применяет методы химии, микробиологии, биохимии и, конечно же, молекулярной биологии.

Основные направления развития биотехнологии (принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей):

Создание и производство новых видов продуктов питания и кормов для животных.
Получение и изучение новых штаммов микроорганизмов.
Выведение новых сортов растений, а также создание средств для защиты растений от болезней и вредителей.
Применение методов биотехнологии для нужд экологии. Такие методы биотехнологии используют для переработки утилизации отходов, очистки сточных вод, отработанного воздуха и санации почв.
Изготовление витаминов, гормонов, ферментов, сывороток для нужд медицины. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, которые ранее считались неизлечимыми.

Крупным достижением биотехнологии является генная инженерия.

Генная инженерия — совокупность технологий и методов получения рекомбинантных молекул РНК и ДНК, выделения отдельных генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы (бактерий, дрожжи, млекопитающих). Такие организмы способны производить конечные продукты с нужными, измененными свойствами.

Методы генной инженерии направлены на конструирование новых, ранее не существовавших сочетаний генов в природе.

Говоря о достижениях генной инженерии, невозможно не затронуть тему клонирования. Клонирование — это один из методов биотехнологии, применяемый для получения идентичных потомков различных организмов при помощи бесполого размножения.

Иными словами, клонирование можно представить как процесс создания генетически идентичных копий организма или клетки. А клонированные организмы похожи или вовсе идентичны не только по внешним признакам, но и по генетическому содержанию.

Небезызвестная овечка Долли в 1966 году стала первым клонированным млекопитающим. Она была получена за счет пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Долли являлась генетической копией овцы-донора ядра клетки. В естественных условиях особь формируется из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив по половине генетического материала от двух родителей. Однако при клонировании генетический материал взяли из клетки одной особи. Сначала из зиготы удалили ядро, в котором находится сама ДНК. После чего извлекли ядро из клетки взрослой особи овцы и имплантировали его в ту лишенную ядра зиготу, а затем ее пересадили в матку взрослой особи и предоставили возможность для роста и развития.

Тем не менее не все попытки клонирования оказывались удачными. Параллельно с клонированием Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках. Но только в одном случае смогло полноценно развиться и вырасти живое взрослое животное. После Долли ученые пробовали клонировать и другие виды млекопитающих.

Одним их видов генной инженерии является редактирование генома.

Инструмент CRISPR/Cas базируется на элементе иммунной защитной системы бактерий, который ученые приспособили для внедрения каких-либо изменений в ДНК животных или растений.

CRISPR/Cas является одним из биотехнологических методов манипулирования отдельными генами в клетках. Существует огромное множество применений такой технологии. CRISPR/Cas позволяет исследователям выяснять функцию разных генов. Для этого нужно просто вырезать исследуемый ген из ДНК и изучить, какие функции организма были затронуты.

Некоторые практические применения системы:

Швейцарские ученые значительно усовершенствовали и модернизировали метод редактирования генома CRISPR/Cas, тем самым расширив его возможности. Тем не менее ученые могли модифицировать только один ген за раз, используя CRISPR/Cas-систему. Но сейчас исследователи Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали метод, с помощью которого возможно одновременно модифицировать 25 генов в клетке.

Для новейшей методики специалисты использовали фермент Cas12a, а не фермент Cas9, применяемый в большинстве методов CRISPR/Cas.

Читайте также: