Εφαρμοσμένη μοριακή βιολογία. Μοριακός βιολόγος Τρέχουσα κατάσταση της βιοφυσικής

Μοριακός βιολόγοςείναι ερευνητής στον τομέα της ιατρικής, αποστολή του οποίου είναι να σώσει την ανθρωπότητα από επικίνδυνες ασθένειες. Μεταξύ τέτοιων ασθενειών, για παράδειγμα, η ογκολογία, η οποία σήμερα έχει γίνει μία από τις κύριες αιτίες θανάτου στον κόσμο, είναι μόνο ελαφρώς κατώτερη από τον ηγέτη - τις καρδιαγγειακές παθήσεις. Οι νέες μέθοδοι έγκαιρης διάγνωσης της ογκολογίας, η πρόληψη και η θεραπεία του καρκίνου αποτελούν προτεραιότητα της σύγχρονης ιατρικής. Οι μοριακοί βιολόγοι στον τομέα της ογκολογίας αναπτύσσουν αντισώματα και ανασυνδυασμένες (γενετικά τροποποιημένες) πρωτεΐνες για έγκαιρη διάγνωση ή στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων στο σώμα. Οι ειδικοί σε αυτόν τον τομέα χρησιμοποιούν τα τελευταία επιτεύγματα της επιστήμης και της τεχνολογίας για να δημιουργήσουν νέους οργανισμούς και οργανικές ουσίες με σκοπό την περαιτέρω χρήση τους σε ερευνητικές και κλινικές δραστηριότητες. Μεταξύ των μεθόδων που χρησιμοποιούνται από τους μοριακούς βιολόγους είναι η κλωνοποίηση, η επιμόλυνση, η μόλυνση, η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, η αλληλουχία γονιδίων και άλλες. Μία από τις εταιρείες που ενδιαφέρονται για μοριακούς βιολόγους στη Ρωσία είναι η PrimeBioMed LLC. Ο οργανισμός ασχολείται με την παραγωγή αντισωμάτων-αντιδραστηρίων για τη διάγνωση του καρκίνου. Τέτοια αντισώματα χρησιμοποιούνται κυρίως για τον προσδιορισμό του τύπου του όγκου, της προέλευσης και της κακοήθειας του, δηλαδή της ικανότητας μετάστασης (εξάπλωσης σε άλλα μέρη του σώματος). Τα αντισώματα εφαρμόζονται σε λεπτές τομές του εξεταζόμενου ιστού, μετά τα οποία δεσμεύονται στα κύτταρα με ορισμένες πρωτεΐνες - δείκτες που υπάρχουν στα καρκινικά κύτταρα, αλλά απουσιάζουν σε υγιή και αντίστροφα. Ανάλογα με τα αποτελέσματα της μελέτης, συνταγογραφείται περαιτέρω θεραπεία. Οι πελάτες της PrimeBioMed περιλαμβάνουν όχι μόνο ιατρικά, αλλά και επιστημονικά ιδρύματα, καθώς τα αντισώματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση ερευνητικών προβλημάτων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μπορούν να παραχθούν μοναδικά αντισώματα ικανά να συνδεθούν με τη μελετημένη πρωτεΐνη για μια συγκεκριμένη εργασία με ειδική παραγγελία. Μια άλλη πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση της έρευνας της εταιρείας είναι η στοχευμένη (στοχευμένη) παροχή φαρμάκων στον οργανισμό. Σε αυτή την περίπτωση, τα αντισώματα χρησιμοποιούνται ως μεταφορά: με τη βοήθειά τους, τα φάρμακα παραδίδονται απευθείας στα προσβεβλημένα όργανα. Έτσι, η θεραπεία γίνεται πιο αποτελεσματική και έχει λιγότερα αρνητικές επιπτώσειςγια το σώμα παρά, για παράδειγμα, η χημειοθεραπεία, η οποία επηρεάζει όχι μόνο τα καρκινικά κύτταρα, αλλά και άλλα κύτταρα. Το επάγγελμα του μοριακού βιολόγου αναμένεται να γίνει όλο και πιο περιζήτητο τις επόμενες δεκαετίες: με την αύξηση του μέσου προσδόκιμου ζωής ενός ατόμου, ο αριθμός των ογκολογικών ασθενειών θα αυξηθεί. Η έγκαιρη ανίχνευση όγκων και καινοτόμες μέθοδοι θεραπείας με τη χρήση ουσιών που λαμβάνονται από μοριακούς βιολόγους θα σώσει ζωές και θα βελτιώσει την ποιότητά της ένας τεράστιος αριθμόςτων ανθρώπων.

Βασική επαγγελματική εκπαίδευση

Τα ποσοστά αντικατοπτρίζουν την κατανομή των ειδικών με συγκεκριμένο επίπεδο εκπαίδευσης στην αγορά εργασίας. Οι βασικές εξειδικεύσεις για την κατάκτηση του επαγγέλματος σημειώνονται με πράσινο χρώμα.

Ικανότητες και δεξιότητες

• Ικανότητα χειρισμού αντιδραστηρίων, δειγμάτων, πρέπει να μπορεί να εργάζεται με μικρά αντικείμενα
• Ικανότητα εργασίας με μεγάλο όγκο πληροφοριών
• Δυνατότητα εργασίας με τα χέρια

Ενδιαφέροντα και προτιμήσεις

• Ανυπομονησία να μάθει κάτι νέο
• Δυνατότητα εργασίας σε λειτουργία πολλαπλών εργασιών (είναι απαραίτητο να παρακολουθείτε την πρόοδο πολλών αντιδράσεων και διαδικασιών ταυτόχρονα)
• Ακρίβεια
• Ευθύνη (δεν μπορείτε να αφήσετε την εργασία "για αύριο", καθώς τα δείγματα μπορεί να καταστραφούν)
• ευσυνειδησία
• εργατικότητα
• Ενσυνειδητότητα (είναι απαραίτητο να παρακολουθούνται οι μικροδιεργασίες)

Επάγγελμα στα πρόσωπα

Μαρία Σίτοβα

Ντάρια Σαμοΐλοβα

Αλεξέι Γκράτσεφ

Η μοριακή βιολογία στον τομέα της ογκολογίας είναι ένας πολλά υποσχόμενος επαγγελματικός τομέας, καθώς η καταπολέμηση του καρκίνου είναι ένα από τα καθήκοντα προτεραιότητας της παγκόσμιας ιατρικής.

Οι μοριακοί βιολόγοι είναι περιζήτητοι σε πολλούς τομείς λόγω της ενεργού ανάπτυξης της επιστήμης, των βιοτεχνολογικών και καινοτόμων επιχειρήσεων. Μέχρι σήμερα, υπάρχει μια μικρή έλλειψη ειδικών, ειδικά αυτών με κάποια εμπειρία στην ειδικότητά τους. Μέχρι τώρα, ένας αρκετά μεγάλος αριθμός πτυχιούχων συνεχίζει να πηγαίνει για εργασία στο εξωτερικό. Οι ευκαιρίες για αποτελεσματική εργασία στον τομέα της βιοτεχνολογίας στη Ρωσία αρχίζουν τώρα να εμφανίζονται, αλλά είναι πολύ νωρίς για να μιλήσουμε για μαζικό χαρακτήρα.

Η εργασία ενός μοριακού βιολόγου περιλαμβάνει την ενεργό συμμετοχή ενός ειδικού σε επιστημονική δραστηριότητα, που γίνεται μηχανισμός επαγγελματικής ανέλιξης. Η εξέλιξη στο επάγγελμα είναι δυνατή μέσω της συμμετοχής σε επιστημονικά προγράμματα και συνέδρια, ίσως μέσω της ανάπτυξης σχετικών γνωστικών πεδίων. Επίσης, στο μέλλον, είναι δυνατή η ακαδημαϊκή ανάπτυξη από έναν κατώτερο ερευνητή μέσω ενός ανώτερου ερευνητή σε έναν κορυφαίο ερευνητή, καθηγητή ή/και επικεφαλής τμήματος/εργαστηρίου.

Η ανάπτυξη της βιοχημείας, της βιοφυσικής, της γενετικής, της κυτταροχημείας, πολλών τομέων της μικροβιολογίας και της ιολογίας γύρω στις αρχές της δεκαετίας του '40 του ΧΧ αιώνα. οδήγησε στενά στη μελέτη των φαινομένων της ζωής σε μοριακό επίπεδο. Οι επιτυχίες που πέτυχαν αυτές οι επιστήμες, ταυτόχρονα και από διαφορετικές πλευρές, οδήγησαν στη συνειδητοποίηση του γεγονότος ότι είναι σε μοριακό επίπεδο που λειτουργούν τα κύρια συστήματα ελέγχου του σώματος και ότι η περαιτέρω πρόοδος αυτών των επιστημών θα εξαρτηθεί από την αποκάλυψη τις βιολογικές λειτουργίες των μορίων που αποτελούν τα σώματα των οργανισμών, τη συμμετοχή τους στη σύνθεση και αποσύνθεση, τους αμοιβαίους μετασχηματισμούς και την αναπαραγωγή ενώσεων στο κύτταρο, καθώς και την ανταλλαγή ενέργειας και πληροφοριών που συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση. Έτσι, στη συμβολή αυτών των βιολογικών κλάδων με τη χημεία και τη φυσική, προέκυψε ένας εντελώς νέος κλάδος - η μοριακή βιολογία.

Σε αντίθεση με τη βιοχημεία, η προσοχή της σύγχρονης μοριακής βιολογίας επικεντρώνεται κυρίως στη μελέτη της δομής και της λειτουργίας των πιο σημαντικών κατηγοριών βιοπολυμερών - πρωτεϊνών και νουκλεϊκά οξέα, το πρώτο από τα οποία καθορίζει την ίδια την πιθανότητα εμφάνισης μεταβολικών αντιδράσεων και το δεύτερο - τη βιοσύνθεση συγκεκριμένων πρωτεϊνών. Είναι σαφές, επομένως, ότι είναι αδύνατο να γίνει σαφής διάκριση μεταξύ της μοριακής βιολογίας και της βιοχημείας, των αντίστοιχων κλάδων της γενετικής, της μικροβιολογίας και της ιολογίας.

Η εμφάνιση της μοριακής βιολογίας συνδέθηκε στενά με την ανάπτυξη νέων ερευνητικών μεθόδων, οι οποίες έχουν ήδη συζητηθεί στα σχετικά κεφάλαια. Μαζί με την ανάπτυξη της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και άλλων μεθόδων μικροσκοπικής τεχνικής, οι μέθοδοι κλασμάτωσης των κυτταρικών στοιχείων που αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1950 έπαιξαν σημαντικό ρόλο. Βασίστηκαν σε βελτιωμένες μεθόδους διαφορικής φυγοκέντρησης (A. Claude, 1954). Μέχρι τότε, υπήρχαν ήδη αρκετά αξιόπιστες μέθοδοι για την απομόνωση και την κλασμάτωση των βιοπολυμερών. Αυτό περιλαμβάνει, ειδικότερα, αυτό που πρότεινε ο A. Tiselius (1937; βραβείο Νόμπελ, 1948) η μέθοδος κλασματοποίησης πρωτεΐνης με χρήση ηλεκτροφόρησης, μέθοδοι απομόνωσης και καθαρισμού νουκλεϊκών οξέων (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky, κ.λπ.). Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκαν διάφορες μέθοδοι χρωματογραφικής ανάλυσης σε πολλά εργαστήρια του κόσμου (A. Martin and R. Sing, 1941· Nobel Prize, 1952), και στη συνέχεια βελτιώθηκαν σημαντικά.

Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ έπαιξε μια ανεκτίμητη υπηρεσία στην αποκρυπτογράφηση της δομής των βιοπολυμερών. Οι βασικές αρχές της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ αναπτύχθηκαν στο King's College του Λονδίνου υπό την ηγεσία του W. Bragg από μια ομάδα ερευνητών, στην οποία συμμετείχαν οι J. Bernal, A. Londsdale, W. Astbury, J. Robertson και άλλοι.

Ιδιαίτερη αναφορά είναι η έρευνα του καθηγητή Μοσκόφσκι κρατικό Πανεπιστήμιο A. R. Kizel για τη βιοχημεία του πρωτοπλάσματος (1925 - 1929), που είχαν μεγάλη σημασία για την μετέπειτα ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας. Ο Kizel έδωσε ένα πλήγμα στη σταθερά ριζωμένη αντίληψη ότι κάθε πρωτόπλασμα βασίζεται σε ένα ειδικό πρωτεϊνικό σώμα - πλάκες, το οποίο υποτίθεται ότι καθορίζει όλα τα πιο σημαντικά δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του. Έδειξε ότι οι πλάκες είναι μια πρωτεΐνη που βρίσκεται μόνο στους μυξομύκητες, και στη συνέχεια σε ένα ορισμένο στάδιο ανάπτυξης, και ότι δεν υπάρχει μόνιμο συστατικό - μια μεμονωμένη σκελετική πρωτεΐνη - στο πρωτόπλασμα. Έτσι, η μελέτη του προβλήματος της δομής του πρωτοπλάσματος και του λειτουργικού ρόλου των πρωτεϊνών πήρε το σωστό δρόμο και έλαβε πεδίο για την ανάπτυξή του. Η έρευνα του Kisel έχει κερδίσει την παγκόσμια αναγνώριση, τονώνοντας τη μελέτη της χημείας των συστατικών μερών του κυττάρου.

Ο όρος «μοριακή βιολογία», που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο κρυσταλλογράφο Καθηγητή του Πανεπιστημίου του Leeds W. Astbury, εμφανίστηκε πιθανώς στις αρχές της δεκαετίας του 1940 (πριν από το 1945). Οι θεμελιώδεις μελέτες περίθλασης ακτίνων Χ πρωτεϊνών και DNA, που πραγματοποιήθηκαν από τον Astbury τη δεκαετία του 1930, χρησίμευσαν ως βάση για την επακόλουθη επιτυχή αποκρυπτογράφηση της δευτεροταγούς δομής αυτών των βιοπολυμερών. Το 1963, ο J. Bernal έγραψε: «Ένα μνημείο θα του στήσει ολόκληρη η μοριακή βιολογία - η επιστήμη που ονόμασε και πραγματικά ίδρυσε» * , Στη βιβλιογραφία, αυτός ο όρος εμφανίστηκε για πρώτη φορά, ίσως, το 1946 στο άρθρο του W. Astbury «Progress of X-ray diffraction analysis of organic and fibrillar compounds», που δημοσιεύτηκε στο αγγλικό περιοδικό «Nature» ** . Στη διάλεξη Harvey, ο Astbury (1950) σημείωσε: «Είμαι ικανοποιημένος που ο όρος μοριακή βιολογία χρησιμοποιείται πλέον ευρέως, αν και είναι απίθανο να ήμουν ο πρώτος που τον πρότεινα. Μου άρεσε και προσπάθησα από καιρό να τον διαδώσω ”***. Ήδη το 1950 ο Astbury ήταν σαφές ότι η μοριακή βιολογία ασχολείται κυρίως με τη δομή και τη διαμόρφωση των μακρομορίων, η μελέτη των οποίων είναι αποφασιστικής σημασίας για την κατανόηση της λειτουργίας των ζωντανών οργανισμών.

* (βιογρ. Μεμ. Συνάδελφοι Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. Πρόοδος ανάλυσης ακτίνων Χ οργανικών και ινών δομών.- Φύση,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. Περιπέτειες στη Μοριακή Βιολογία. Thomas Springfield, 1952, σελ. 3.)

Η μοριακή βιολογία έχει αντιμετωπίσει και αντιμετωπίζει, στην πραγματικότητα, τα ίδια καθήκοντα με τη βιολογία στο σύνολό της - τη γνώση της ουσίας της ζωής και των βασικών της φαινομένων, ιδίως, όπως η κληρονομικότητα και η μεταβλητότητα. Η σύγχρονη μοριακή βιολογία προορίζεται κυρίως να αποκρυπτογραφήσει τη δομή και τη λειτουργία των γονιδίων, τους τρόπους και τους μηχανισμούς υλοποίησης της γενετικής πληροφορίας των οργανισμών σε διαφορετικά στάδια οντογένεσης και σε διαφορετικά στάδια ανάγνωσής της. Έχει σχεδιαστεί για να αποκαλύψει τους λεπτούς μηχανισμούς ρύθμισης της γονιδιακής δραστηριότητας και της κυτταρικής διαφοροποίησης, για να αποσαφηνίσει τη φύση της μεταλλαξιογένεσης και τη μοριακή βάση της εξελικτικής διαδικασίας.

Καθιέρωση του γενετικού ρόλου των νουκλεϊκών οξέων

Για την ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας υψηλότερη τιμήείχε τις ακόλουθες ανακαλύψεις. Το 1944, οι Αμερικανοί ερευνητές O. Avery, K. McLeod (Βραβείο Νόμπελ, 1923) και M. McCarthy έδειξαν ότι τα μόρια DNA που απομονώθηκαν από πνευμονιόκοκκους έχουν μεταμορφωτική δραστηριότητα. Μετά την υδρόλυση αυτών των DNA από δεοξυριβονουκλεάση, η μετασχηματιστική τους δράση εξαφανίστηκε εντελώς. Έτσι, για πρώτη φορά, αποδείχθηκε πειστικά ότι είναι το DNA, και όχι η πρωτεΐνη, που είναι προικισμένο με γενετικές λειτουργίες σε ένα κύτταρο.

Για να είμαστε δίκαιοι, πρέπει να σημειωθεί ότι το φαινόμενο του βακτηριακού μετασχηματισμού ανακαλύφθηκε πολύ νωρίτερα από την ανακάλυψη των Avery, McLeod και McCarthy. Το 1928, ο F. Griffith δημοσίευσε ένα άρθρο στο οποίο ανέφερε ότι μετά την προσθήκη θανατηφόρων κυττάρων ενός εγκλεισμένου λοιμογόνου στελέχους σε μη λοιμογόνους (μη ενθυλακωμένους) πνευμονιόκοκκους, το προκύπτον μείγμα κυττάρων γίνεται θανατηφόρο για τα ποντίκια. Επιπλέον, ζωντανά κύτταρα πνευμονιόκοκκου που απομονώθηκαν από ζώα μολυσμένα με αυτό το μείγμα ήταν ήδη λοιμώδη και διέθεταν κάψουλα πολυσακχαρίτη. Έτσι, σε αυτό το πείραμα, αποδείχθηκε ότι υπό την επίδραση ορισμένων συστατικών των νεκρών πνευμονιοκοκκικών κυττάρων, η μη εγκλεισμένη μορφή βακτηρίων μετατρέπεται σε λοιμογόνο μορφή που σχηματίζει κάψουλες. Δεκαέξι χρόνια αργότερα, οι Avery, McLeod και McCarthy αντικατέστησαν τα σκοτωμένα ολόκληρα πνευμονιοκοκκικά κύτταρα με το δεοξυριβονουκλεϊκό τους οξύ σε αυτό το πείραμα και έδειξαν ότι ήταν το DNA που είχε μετασχηματιστική δραστηριότητα (βλ. επίσης κεφάλαια 7 και 25). Η σημασία αυτής της ανακάλυψης είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί. Ενθάρρυνε τη μελέτη των νουκλεϊκών οξέων σε πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο και ανάγκασε τους επιστήμονες να επικεντρωθούν στο DNA.

Μαζί με την ανακάλυψη των Avery, McLeod και McCarthy, στις αρχές της δεκαετίας του 1950, είχε ήδη συσσωρευτεί ένας αρκετά μεγάλος αριθμός άμεσων και έμμεσων στοιχείων ότι τα νουκλεϊκά οξέα διαδραματίζουν εξαιρετικό ρόλο στη ζωή και έχουν μια γενετική λειτουργία. Αυτό, ειδικότερα, υποδεικνύεται από τη φύση του εντοπισμού του DNA στο κύτταρο και τα δεδομένα του R. Vendrelli (1948) ότι η περιεκτικότητα σε DNA ανά κύτταρο είναι αυστηρά σταθερή και συσχετίζεται με το βαθμό πλοειδίας: στα απλοειδή γεννητικά κύτταρα, το DNA είναι το μισό σε διπλοειδή σωματικά κύτταρα. Η έντονη μεταβολική σταθερότητα του DNA μαρτυρούσε επίσης υπέρ του γενετικού ρόλου του DNA. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1950, είχαν συσσωρευτεί πολλά διάφορα στοιχεία, που δείχνουν ότι οι περισσότεροι από τους γνωστούς μεταλλαξογόνους παράγοντες δρουν κυρίως στα νουκλεϊκά οξέα και, ειδικότερα, στο DNA (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese , 1957 και άλλοι).

Ιδιαίτερη σημασία για τη διαπίστωση του γενετικού ρόλου των νουκλεϊκών οξέων ήταν η μελέτη διαφόρων φάγων και ιών. Το 1933, ο D. Schlesinger βρήκε DNA στον βακτηριοφάγο της Escherichia coli. Από την απομόνωση του W. Stanley (1935, βραβείο Νόμπελ, 1946) του ιού του μωσαϊκού του καπνού (TMV) σε κρυσταλλική κατάσταση, νέο στάδιοστη μελέτη των φυτικών ιών. Το 1937 - 1938. υπάλληλοι του Γεωργικού Σταθμού Rothamsted (Αγγλία) οι F. Bowden και N. Peary έδειξαν ότι πολλοί φυτικοί ιοί που απομονώθηκαν από αυτούς δεν είναι γλοβουλίνες, αλλά είναι ριβονουκλεοπρωτεΐνες και περιέχουν νουκλεϊκό οξύ ως υποχρεωτικό συστατικό. Στις αρχές της δεκαετίας του '40, δημοσιεύτηκαν τα έργα των G. Schramm (1940), P. A. Agatov (1941), G. Miller και W. Stanley (1941), υποδεικνύοντας ότι μια αξιοσημείωτη χημική τροποποίηση του πρωτεϊνικού συστατικού δεν οδηγεί στην απώλεια της μολυσματικότητας του TMV. Αυτό έδειξε ότι το συστατικό της πρωτεΐνης δεν θα μπορούσε να είναι ο φορέας των κληρονομικών ιδιοτήτων του ιού, όπως συνέχισαν να πιστεύουν πολλοί μικροβιολόγοι. Τα πειστικά στοιχεία υπέρ του γενετικού ρόλου του νουκλεϊκού οξέος (RNA) στους φυτικούς ιούς ελήφθησαν το 1956 από τον G. Schramm στο Tübingen (FRG) και τον H. Frenkel-Konrath στην Καλιφόρνια (ΗΠΑ). Αυτοί οι ερευνητές σχεδόν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο απομόνωσαν RNA από το TMV και έδειξαν ότι αυτό, και όχι η πρωτεΐνη, έχει μολυσματικότητα: ως αποτέλεσμα της μόλυνσης των φυτών του καπνού με αυτό το RNA, σχηματίστηκαν και πολλαπλασιάστηκαν σε αυτά φυσιολογικά ιικά σωματίδια. Αυτό σήμαινε ότι το RNA περιείχε πληροφορίες για τη σύνθεση και τη συναρμολόγηση όλων των συστατικών του ιού, συμπεριλαμβανομένης της ιικής πρωτεΐνης. Το 1968, ο I. G. Atabekov διαπίστωσε ότι η πρωτεΐνη παίζει σημαντικό ρόλο στην ίδια τη μόλυνση των φυτών - η φύση της πρωτεΐνης καθορίζει το φάσμα των φυτών ξενιστών.

Το 1957, ο Frenkel-Konrat πραγματοποίησε για πρώτη φορά την ανακατασκευή του TMV από τα συστατικά του - RNA και πρωτεΐνη. Μαζί με τα φυσιολογικά σωματίδια, έλαβε μικτά «υβρίδια» στα οποία το RNA ήταν από ένα στέλεχος και η πρωτεΐνη από ένα άλλο. Η κληρονομικότητα τέτοιων υβριδίων προσδιορίστηκε πλήρως από το RNA και οι απόγονοι των ιών ανήκαν στο στέλεχος του οποίου το RNA χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη των αρχικών μικτών σωματιδίων. Αργότερα, τα πειράματα των A. Gierer, G. Schuster και G. Schramm (1958) και G. Witman (1960 - 1966) έδειξαν ότι η χημική τροποποίηση του νουκλεϊκού συστατικού TMV οδηγεί στην εμφάνιση διαφόρων μεταλλαγμάτων αυτού του ιού.

Το 1970, οι D. Baltimore και G. Temin ανακάλυψαν ότι η μεταφορά γενετικών πληροφοριών μπορεί να συμβεί όχι μόνο από το DNA στο RNA, αλλά και αντίστροφα. Βρήκαν σε ορισμένους ογκογόνους ιούς που περιέχουν RNA (oncornaviruses) ένα ειδικό ένζυμο, τη λεγόμενη αντίστροφη μεταγραφάση, η οποία είναι ικανή να συνθέτει συμπληρωματικό DNA σε αλυσίδες RNA. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη κατέστησε δυνατή την κατανόηση του μηχανισμού εισαγωγής της γενετικής πληροφορίας των ιών που περιέχουν RNA στο γονιδίωμα του ξενιστή και να ρίξουμε μια νέα ματιά στη φύση της ογκογόνου δράσης τους.

Ανακάλυψη νουκλεϊκών οξέων και μελέτη των ιδιοτήτων τους

Ο όρος νουκλεϊκά οξέα εισήχθη από τον Γερμανό βιοχημικό R. Altman το 1889, αφού αυτές οι ενώσεις ανακαλύφθηκαν το 1869 από τον Ελβετό γιατρό F. Miescher. Ο Misher εξήγαγε κύτταρα πύου με αραιό υδροχλωρικό οξύμέσα σε λίγες εβδομάδες και έλαβε σχεδόν καθαρό πυρηνικό υλικό στο υπόλοιπο. Θεώρησε αυτό το υλικό ως χαρακτηριστική "ουσία των κυτταρικών πυρήνων και το ονόμασε νουκλεΐνη. Στις ιδιότητές της, η νουκλεΐνη διέφερε έντονα από τις πρωτεΐνες: ήταν πιο όξινο, δεν περιείχε θείο, αλλά περιείχε πολύ φώσφορο, ήταν εύκολα διαλυτή. σε αλκάλια, αλλά δεν διαλύθηκε σε αραιά οξέα.

Ο Misher έστειλε τα αποτελέσματα των παρατηρήσεών του για τη νουκλεΐνη στον F. Goppe-Seyler για δημοσίευση σε ένα περιοδικό. Η ουσία που περιέγραψε ήταν τόσο ασυνήθιστη (εκείνη την εποχή μόνο η λεκιθίνη ήταν γνωστή για όλες τις βιολογικές ενώσεις που περιείχαν φώσφορο) που ο Goppe-Seyler δεν πίστεψε τα πειράματα του Misher, του επέστρεψε το χειρόγραφο και έδωσε εντολή στους υπαλλήλους του N. Plosh και N. Lyubavin να ελέγξτε τα συμπεράσματά του σε άλλο υλικό. Το έργο του Miescher «On the chemical structure of pus cells» δημοσιεύτηκε δύο χρόνια αργότερα (1871). Ταυτόχρονα, δημοσιεύτηκαν τα έργα του Goppe-Seyler και των συνεργατών του σχετικά με τη σύνθεση πυονωδών κυττάρων, ερυθροκυττάρων πτηνών, φιδιών και άλλων κυττάρων. Τα επόμενα τρία χρόνια, η νουκλεΐνη απομονώθηκε από ζωικά κύτταρα και ζυμομύκητες.

Στην εργασία του, ο Misher σημείωσε ότι μια λεπτομερής μελέτη διαφορετικών νουκλεϊνών μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία διαφορών μεταξύ τους, προλαμβάνοντας έτσι την ιδέα της εξειδίκευσης των νουκλεϊνικών οξέων. Κατά τη μελέτη του γάλακτος σολομού, ο Misher διαπίστωσε ότι η νουκλεΐνη σε αυτά έχει τη μορφή αλατιού και σχετίζεται με την κύρια πρωτεΐνη, την οποία ονόμασε πρωταμίνη.

Το 1879, ο A. Kossel άρχισε να μελετά νουκλεΐνες στο εργαστήριο του Goppe-Seyler. Το 1881, απομόνωσε την υποξανθίνη από τη νουκλεΐνη, αλλά εκείνη την εποχή εξακολουθούσε να αμφιβάλλει για την προέλευση αυτής της βάσης και πίστευε ότι η υποξανθίνη θα μπορούσε να είναι προϊόν αποικοδόμησης πρωτεϊνών. Το 1891, μεταξύ των προϊόντων της υδρόλυσης νουκλεΐνης, ο Kossel ανακάλυψε την αδενίνη, τη γουανίνη, το φωσφορικό οξύ και μια άλλη ουσία με τις ιδιότητες της ζάχαρης. Για έρευνα σχετικά με τη χημεία των νουκλεϊκών οξέων, ο Κόσσελ τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1910.

Περαιτέρω πρόοδος στην αποκρυπτογράφηση της δομής των νουκλεϊκών οξέων συνδέεται με την έρευνα του P. Levin και των συνεργατών του (1911 - 1934). Το 1911, οι P. Levin και V. Jacobs αναγνώρισαν το συστατικό υδατάνθρακα της αδενοσίνης και της γουανοσίνης. βρήκαν ότι αυτοί οι νουκλεοζίτες περιέχουν D-ριβόζη. Το 1930, ο Lewin έδειξε ότι το υδατανθρακικό συστατικό των δεοξυριβονουκλεοζιτών είναι η 2-δεοξυ-D-ριβόζη. Από το έργο του, έγινε γνωστό ότι τα νουκλεϊκά οξέα κατασκευάζονται από νουκλεοτίδια, δηλαδή φωσφορυλιωμένους νουκλεοσίτες. Ο Levin πίστευε ότι ο κύριος τύπος δεσμού στα νουκλεϊκά οξέα (RNA) είναι ο φωσφοδιεστερικός δεσμός 2", 5". Αυτή η αντίληψη αποδείχθηκε λανθασμένη. Χάρη στο έργο του Άγγλου χημικού A. Todd (Βραβείο Νόμπελ, 1957) και των συνεργατών του, καθώς και των Άγγλων βιοχημικών R. Markham και J. Smith, έγινε γνωστό στις αρχές της δεκαετίας του '50 ότι ο κύριος τύπος δεσμού στο RNA είναι 3", 5" - φωσφοδιεστερικός δεσμός.

Ο Lewin έδειξε ότι διαφορετικά νουκλεϊκά οξέα μπορεί να διαφέρουν ως προς τη φύση του συστατικού των υδατανθράκων: μερικά από αυτά περιέχουν το σάκχαρο δεοξυριβόζη, ενώ άλλα περιέχουν ριβόζη. Επιπλέον, αυτοί οι δύο τύποι νουκλεϊκών οξέων διέφεραν ως προς τη φύση μιας από τις βάσεις: τα νουκλεϊκά οξέα τύπου πεντόζης περιείχαν ουρακίλη και τα νουκλεϊκά οξέα τύπου δεοξυπεντόζης περιείχαν θυμίνη. Το νουκλεϊκό οξύ της δεοξυπεντόζης (με τη σύγχρονη ορολογία, δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ - DNA) απομονωνόταν συνήθως εύκολα σε μεγάλες ποσότητες από τον θύμο (γλυκό αδένα) των μόσχων. Ως εκ τούτου, ονομάστηκε θυμονουκλεϊκό οξύ. Η πηγή του νουκλεϊκού οξέος (RNA) τύπου πεντόζης ήταν κυρίως η μαγιά και το φύτρο σίτου. Αυτός ο τύπος αναφέρεται συχνά ως νουκλεϊκό οξύ ζύμης.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1930, η αντίληψη ότι τα φυτικά κύτταρα χαρακτηρίζονταν από ένα νουκλεϊκό οξύ τύπου ζυμομύκητα ήταν μάλλον σταθερά ριζωμένη, ενώ το θυμονουκλεϊκό οξύ ήταν χαρακτηριστικό μόνο των πυρήνων των ζωικών κυττάρων. Οι δύο τύποι νουκλεϊκών οξέων, το RNA και το DNA, ονομάζονταν τότε φυτικά και ζωικά νουκλεϊκά οξέα, αντίστοιχα. Ωστόσο, όπως έδειξαν οι πρώτες μελέτες του A. N. Belozersky, μια τέτοια διαίρεση των νουκλεϊκών οξέων είναι αδικαιολόγητη. Το 1934, ο Belozersky ανακάλυψε για πρώτη φορά το θυμονουκλεϊκό οξύ φυτικά κύτταρα: από σπορόφυτα μπιζελιού, απομόνωσε και αναγνώρισε τη βάση θυμίνης-πυριμιδίνης, που είναι χαρακτηριστική του DNA. Στη συνέχεια ανακάλυψε τη θυμίνη σε άλλα φυτά (σπόροι σόγιας, φασόλια). Το 1936, οι A. N. Belozersky και I. I. Dubrovskaya απομόνωσαν το DNA προπαρασκευαστικά από σπορόφυτα ιπποκαστανιάς. Επιπλέον, μια σειρά μελετών που διεξήχθησαν στην Αγγλία τη δεκαετία του 1940 από τον D. Davidson και τους συνεργάτες του έδειξαν πειστικά ότι το φυτικό νουκλεϊκό οξύ (RNA) περιέχεται σε πολλά ζωικά κύτταρα.

Η ευρεία χρήση της κυτταροχημικής αντίδρασης για το DNA που αναπτύχθηκε από τους R. Felgen και G. Rosenbeck (1924) και η αντίδραση του J. Brachet (1944) για το RNA κατέστησαν δυνατή τη γρήγορη και ξεκάθαρη επίλυση του ζητήματος του προτιμησιακού εντοπισμού αυτών των πυρηνικών οξέα στο κύτταρο. Αποδείχθηκε ότι το DNA είναι συγκεντρωμένο στον πυρήνα, ενώ το RNA είναι κυρίως συγκεντρωμένο στο κυτταρόπλασμα. Αργότερα, διαπιστώθηκε ότι το RNA περιέχεται τόσο στο κυτταρόπλασμα όσο και στον πυρήνα και επιπλέον ταυτοποιήθηκε και το κυτταροπλασματικό DNA.

Όσον αφορά το ζήτημα της πρωτογενούς δομής των νουκλεϊκών οξέων, στα μέσα της δεκαετίας του 1940, η ιδέα του P. Levin καθιερώθηκε σταθερά στην επιστήμη, σύμφωνα με την οποία όλα τα νουκλεϊκά οξέα είναι κατασκευασμένα σύμφωνα με τον ίδιο τύπο και αποτελούνται από το ίδιο λεγόμενο τετρανουκλεοτίδιο. μπλοκ. Κάθε ένα από αυτά τα μπλοκ, σύμφωνα με τον Lewin, περιέχει τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια. Η τετρανουκλεοτιδική θεωρία της δομής των νουκλεϊκών οξέων στέρησε σε μεγάλο βαθμό από αυτά τα βιοπολυμερή την ειδικότητα. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι εκείνη την εποχή όλες οι ιδιαιτερότητες των ζωντανών όντων συνδέονταν μόνο με πρωτεΐνες, η φύση των μονομερών των οποίων είναι πολύ πιο διαφορετική (20 αμινοξέα).

Το πρώτο κενό στη θεωρία της τετρανουκλεοτιδικής δομής των νουκλεϊκών οξέων έγινε από τα αναλυτικά δεδομένα του Άγγλου χημικού J. Gouland (1945 - 1947). Κατά τον προσδιορισμό της σύστασης των νουκλεϊκών οξέων από το βασικό άζωτο, δεν έλαβε ισομοριακή αναλογία βάσεων, όπως θα έπρεπε να είναι σύμφωνα με τη θεωρία του Lewin. Τέλος, η τετρανουκλεοτιδική θεωρία της δομής των νουκλεϊκών οξέων κατέρρευσε ως αποτέλεσμα της έρευνας του E. Chargaff και των συνεργατών του (1949 - 1951). Ο Chargaff χρησιμοποίησε χρωματογραφία χαρτιού για να διαχωρίσει τις βάσεις που απελευθερώθηκαν από το DNA ως αποτέλεσμα της όξινης υδρόλυσης του. Κάθε μία από αυτές τις βάσεις προσδιορίστηκε με ακρίβεια φασματοφωτομετρικά. Ο Chargaff παρατήρησε σημαντικές αποκλίσεις από την ισομοριακή αναλογία βάσεων σε DNA διαφορετικής προέλευσης και για πρώτη φορά δήλωσε οπωσδήποτε ότι το DNA έχει μια έντονη εξειδίκευση του είδους. Αυτό τελείωσε την ηγεμονία της έννοιας της εξειδίκευσης της πρωτεΐνης στο ζωντανό κύτταρο. Αναλύοντας DNA διαφορετικής προέλευσης, ο Chargaff ανακάλυψε και διατύπωσε μοναδικά μοτίβα σύνθεσης DNA, τα οποία εισήλθαν στην επιστήμη με το όνομα των κανόνων του Chargaff. Σύμφωνα με αυτούς τους κανόνες, σε όλα τα DNA, ανεξαρτήτως προέλευσης, η ποσότητα της αδενίνης είναι ίση με την ποσότητα της θυμίνης (A = T), η ποσότητα της γουανίνης είναι ίση με την ποσότητα της κυτοσίνης (G = C), η ποσότητα της οι πουρίνες είναι ίση με την ποσότητα των πυριμιδινών (G + A = C + T), η ποσότητα βάσεων με 6-αμινο ομάδες είναι ίση με τον αριθμό των βάσεων με 6-κετο ομάδες (A + C = G + T). Ταυτόχρονα, παρά τις τόσο αυστηρές ποσοτικές αντιστοιχίες, το DNA διαφορετικών ειδών διαφέρει ως προς την τιμή της αναλογίας A+T:G+C. Σε κάποιο DNA, η ποσότητα της γουανίνης και της κυτοσίνης υπερισχύει της ποσότητας της αδενίνης και της θυμίνης (ο Chargaff τα ονόμασε αυτά DNA τύπου GC DNA). άλλα DNA περιείχαν περισσότερη αδενίνη και θυμίνη από τη γουανίνη και την κυτοσίνη (αυτά τα DNA ονομάζονταν DNA τύπου ΑΤ). Τα δεδομένα που έλαβε ο Chargaff σχετικά με τη σύνθεση του DNA έπαιξαν εξαιρετικό ρόλο στη μοριακή βιολογία. Ήταν αυτοί που αποτέλεσαν τη βάση για την ανακάλυψη της δομής του DNA, που έγινε το 1953 από τους J. Watson και F. Crick.

Το 1938, οι W. Astbury και F. Bell, χρησιμοποιώντας ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ, έδειξαν ότι τα επίπεδα βάσης στο DNA πρέπει να είναι κάθετα στον μακρύ άξονα του μορίου και να μοιάζουν, σαν να λέγαμε, με μια στοίβα πλακών που βρίσκονται στην κορυφή. ο ένας του άλλου. Με τη βελτίωση της τεχνικής της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ, μέχρι το 1952 - 1953. συσσωρευμένες πληροφορίες που επέτρεψαν να κριθεί το μήκος των μεμονωμένων δεσμών και οι γωνίες κλίσης. Αυτό κατέστησε δυνατή την αναπαράσταση με τη μεγαλύτερη πιθανότητα της φύσης του προσανατολισμού των δακτυλίων των υπολειμμάτων πεντόζης στη ραχοκοκαλιά σακχάρου-φωσφορικού του μορίου DNA. Το 1952, ο S. Farberg πρότεινε δύο υποθετικά μοντέλα DNA, τα οποία αντιπροσώπευαν ένα μονόκλωνο μόριο διπλωμένο ή στριμμένο πάνω του. Ένα όχι λιγότερο εικαστικό μοντέλο της δομής του DNA προτάθηκε το 1953 από τον L. Pauling (νικητή του βραβείου Νόμπελ, 1954) και τον R. Corey. Σε αυτό το μοντέλο, τρεις στριμμένοι κλώνοι DNA σχημάτισαν μια μακριά έλικα, ο πυρήνας της οποίας αντιπροσωπευόταν από φωσφορικές ομάδες και οι βάσεις βρίσκονταν έξω από αυτήν. Μέχρι το 1953, οι M. Wilkins και R. Franklin απέκτησαν σαφέστερα μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ του DNA. Η ανάλυσή τους έδειξε την πλήρη αποτυχία των μοντέλων των Farberg, Pauling και Corey. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του Chargaff, συγκρίνοντας διαφορετικούς συνδυασμούς μοριακών μοντέλων μεμονωμένων μονομερών και δεδομένων περίθλασης ακτίνων Χ, οι J. Watson και F. Crick το 1953 κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το μόριο DNA πρέπει να είναι μια δίκλωνη έλικα. Οι κανόνες του Chargaff περιόρισαν σοβαρά τον αριθμό των πιθανών διατεταγμένων συνδυασμών βάσεων στο προτεινόμενο μοντέλο DNA. πρότειναν στους Watson και Crick ότι πρέπει να υπάρχει ένα συγκεκριμένο ζεύγος βάσεων στο μόριο DNA - αδενίνη με θυμίνη και γουανίνη με κυτοσίνη. Με άλλα λόγια, η αδενίνη σε έναν κλώνο του DNA αντιστοιχεί πάντα αυστηρά στη θυμίνη στον άλλο κλώνο και η γουανίνη σε έναν κλώνο αντιστοιχεί απαραίτητα στην κυτοσίνη στον άλλο. Έτσι, οι Watson και Crick ήταν οι πρώτοι που διατύπωσαν την εξαιρετικά σημαντική αρχή της συμπληρωματικής δομής του DNA, σύμφωνα με την οποία ένας κλώνος DNA συμπληρώνει έναν άλλο, δηλ. η αλληλουχία βάσης ενός κλώνου καθορίζει μοναδικά την αλληλουχία βάσης στον άλλο (συμπληρωματικό) κλώνο. . Έγινε προφανές ότι ήδη στην ίδια τη δομή του DNA βρίσκεται η δυνατότητα για την ακριβή αναπαραγωγή του. Αυτό το μοντέλο δομής DNA είναι σήμερα γενικά αποδεκτό. Οι Crick, Watson και Wilkins τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1962 για την αποκρυπτογράφηση της δομής του DNA.

Να σημειωθεί ότι η ιδέα ενός μηχανισμού για την ακριβή αναπαραγωγή μακρομορίων και τη μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών προήλθε από τη χώρα μας. Το 1927, ο N. K. Koltsov πρότεινε ότι κατά την κυτταρική αναπαραγωγή, η αναπαραγωγή των μορίων λαμβάνει χώρα με ακριβή αυτοκαταλυτική αναπαραγωγή των υπαρχόντων μητρικών μορίων. Είναι αλήθεια ότι εκείνη την εποχή ο Koltsov προίκισε αυτή την ιδιότητα όχι με μόρια DNA, αλλά με μόρια πρωτεϊνικής φύσης, η λειτουργική σημασία των οποίων ήταν τότε άγνωστη. Ωστόσο, η ίδια η ιδέα της αυτοκαταλυτικής αναπαραγωγής μακρομορίων και ο μηχανισμός μετάδοσης των κληρονομικών ιδιοτήτων αποδείχθηκε προφητική: έγινε η καθοδηγητική ιδέα της σύγχρονης μοριακής βιολογίας.

Διεξήχθη στο εργαστήριο του A. N. Belozersky από τους A. S. Spirin, G. N. Zaitseva, B. F. Vanyushin, S. O. Uryson, A. S. Antonov και άλλους, ποικιλία οργανισμών επιβεβαίωσε πλήρως τα μοτίβα που ανακάλυψε ο Chargaff και την πλήρη συμμόρφωση με το μοριακό μοντέλο της δομής του DNA που πρότεινε ο Watt και ο Κρικ. Αυτές οι μελέτες έχουν δείξει ότι το DNA διαφορετικών βακτηρίων, μυκήτων, φυκιών, ακτινομυκήτων, ανώτερων φυτών, ασπόνδυλων και σπονδυλωτών έχουν συγκεκριμένη σύνθεση. Οι διαφορές στη σύνθεση (το περιεχόμενο των ζευγών βάσεων ΑΤ) είναι ιδιαίτερα έντονες στους μικροοργανισμούς, αποδεικνύοντας ότι είναι ένα σημαντικό ταξινομικό χαρακτηριστικό. Στα ανώτερα φυτά και ζώα, οι παραλλαγές των ειδών στη σύνθεση του DNA είναι πολύ λιγότερο έντονες. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι το DNA τους είναι λιγότερο συγκεκριμένο. Εκτός από τη σύνθεση των βάσεων, η ειδικότητα καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την αλληλουχία τους σε αλυσίδες DNA.

Μαζί με τις συνήθεις βάσεις, βρέθηκαν επιπλέον αζωτούχες βάσεις στο DNA και το RNA. Έτσι, ο G. White (1950) βρήκε 5-μεθυλκυτοσίνη στο DNA των φυτών και των ζώων και οι D. Dunn και J. Smith (1958) βρήκαν μεθυλιωμένη αδενίνη σε κάποιο DNA. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η μεθυλκυτοσίνη θεωρείτο σήμα κατατεθέν του γενετικού υλικού ανώτερων οργανισμών. Το 1968, οι A. N. Belozersky, B. F. Vanyushin και N. A. Kokurina διαπίστωσαν ότι μπορεί επίσης να βρεθεί στο DNA των βακτηρίων.

Το 1964, οι M. Gold και J. Hurwitz ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία ενζύμων που πραγματοποιούν τη φυσική τροποποίηση του DNA - τη μεθυλίωση του. Μετά από αυτή την ανακάλυψη, έγινε σαφές ότι ελάσσονες (που περιέχονται σε μικρές ποσότητες) βάσεις προκύπτουν ήδη στην τελική πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα DNA ως αποτέλεσμα ειδικής μεθυλίωσης υπολειμμάτων κυτοσίνης και αδενίνης σε ειδικές αλληλουχίες. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με τους B. F. Vanyushin, Ya. I. Buryanov και A. N. Belozersky (1969), η μεθυλίωση της αδενίνης στο DNA του E. coli μπορεί να συμβεί σε κωδικόνια τερματισμού. Σύμφωνα με τον A. N. Belozersky και τους συνεργάτες του (1968 - 1970), καθώς και τους M. Meselson (ΗΠΑ) και V. Arber (Ελβετία) (1965 - 1969), η μεθυλίωση δίνει μοναδικά μεμονωμένα χαρακτηριστικά στα μόρια του DNA και, σε συνδυασμό με τη δράση του συγκεκριμένες νουκλεάσες, είναι μέρος ενός πολύπλοκου μηχανισμού που ελέγχει τη σύνθεση του DNA στο κύτταρο. Με άλλα λόγια, η φύση της μεθυλίωσης ενός συγκεκριμένου DNA προκαθορίζει το ερώτημα εάν μπορεί να πολλαπλασιαστεί σε ένα δεδομένο κύτταρο.

Σχεδόν ταυτόχρονα ξεκίνησε η απομόνωση και η εντατική μελέτη των μεθυλασών του DNA και των ενδονουκλεασών περιορισμού. το 1969-1975 Οι νουκλεοτιδικές αλληλουχίες που αναγνωρίζονται στο DNA από μερικά από αυτά τα ένζυμα έχουν καθιερωθεί (Χ. Boyer, Χ. Smith, S. Lynn, Κ. Murray). Όταν διαφορετικά DNA υδρολύονται από ένα ένζυμο περιορισμού, μάλλον μεγάλα θραύσματα με πανομοιότυπα «κολλώδη» άκρα διασπώνται. Αυτό καθιστά δυνατή όχι μόνο την ανάλυση της δομής των γονιδίων, όπως γίνεται σε μικρούς ιούς (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), αλλά και την κατασκευή διαφόρων γονιδιωμάτων. Με την ανακάλυψη αυτών των συγκεκριμένων περιοριστικών ενζύμων, η γενετική μηχανική έχει γίνει απτή πραγματικότητα. Ενσωματωμένα σε μικρά πλασμιδικά γονίδια DNA διαφόρων προελεύσεων εισάγονται ήδη εύκολα σε διάφορα κύτταρα. Έτσι, ελήφθη ένας νέος τύπος βιολογικά ενεργών πλασμιδίων, που προσδίδουν αντοχή σε ορισμένα αντιβιοτικά (S. Cohen, 1973), ριβοσωματικά γονίδια ενός βατράχου και Drosophila εισήχθησαν στα πλασμίδια Escherichia coli (J. Morrow, 1974· X. Boyer, D. Hogness, R. Davis, 1974 - 1975). Έτσι, ανοίγονται πραγματικοί δρόμοι για την απόκτηση θεμελιωδώς νέων οργανισμών με την εισαγωγή και την ενσωμάτωση διαφόρων γονιδίων στη γονιδιακή τους δεξαμενή. Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να κατευθυνθεί προς όφελος όλης της ανθρωπότητας.

Το 1952, οι G. White και S. Cohen ανακάλυψαν ότι το DNA των Τ-ζυγών φάγων περιέχει μια ασυνήθιστη βάση - την 5-υδροξυμεθυλκυτοσίνη. Αργότερα, από τις εργασίες των E. Volkin και R. Sinsheimer (1954) και Cohen (1956), έγινε γνωστό ότι τα υπολείμματα υδροξυμεθυλκυτοσίνης μπορούν να γλυκοσιδωθούν πλήρως ή μερικώς, με αποτέλεσμα το μόριο DNA του φάγου να προστατεύεται από την υδρολυτική δράση. των νουκλεασών.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, από τα έργα των D. Dunn και J. Smith (Αγγλία), S. Zamenhof (ΗΠΑ) και A. Wacker (Γερμανία), έγινε γνωστό ότι πολλά ανάλογα τεχνητών βάσεων μπορούν να συμπεριληφθούν στο DNA, μερικές φορές αντικαθιστώντας έως 50% θυμίνη. Κατά κανόνα, αυτές οι αντικαταστάσεις οδηγούν σε σφάλματα αντιγραφής, μεταγραφής και μετάφρασης του DNA και στην εμφάνιση μεταλλαγμάτων. Έτσι, ο J. Marmur (1962) βρήκε ότι το DNA ορισμένων φάγων περιέχει οξυμεθυλουρακίλη αντί για θυμίνη. Το 1963, οι I. Takahashi και J. Marmur ανακάλυψαν ότι το DNA ενός από τους φάγους περιέχει ουρακίλη αντί για θυμίνη. Έτσι, μια άλλη αρχή, σύμφωνα με την οποία προηγουμένως διαχωρίζονταν τα νουκλεϊκά οξέα, κατέρρευσε. Από τα έργα του P. Levin πιστεύεται ότι εγγύησηΤο DNA είναι θυμίνη και το RNA είναι ουρακίλη. Έγινε σαφές ότι αυτό το σημάδι δεν είναι πάντα αξιόπιστο και η θεμελιώδης διαφορά στη χημική φύση των δύο τύπων νουκλεϊκών οξέων, όπως φαίνεται σήμερα, είναι μόνο η φύση του συστατικού των υδατανθράκων.

Στη μελέτη των φάγων, έχουν αποκαλυφθεί πολλά ασυνήθιστα χαρακτηριστικά της οργάνωσης των νουκλεϊκών οξέων. Από το 1953, πιστεύεται ότι όλο το DNA είναι δίκλωνα γραμμικά μόρια, ενώ το RNA είναι μόνο μονόκλωνο. Αυτή η θέση κλονίστηκε σημαντικά το 1961, όταν ο R. Sinsheimer ανακάλυψε ότι το DNA του φάγου φ Χ 174 αντιπροσωπεύεται από ένα μονόκλωνο κυκλικό μόριο. Ωστόσο, αργότερα αποδείχθηκε ότι σε αυτή τη μορφή αυτό το DNA υπάρχει μόνο σε ένα βλαστικό σωματίδιο φάγου και η αντιγραφική μορφή του DNA αυτού του φάγου είναι επίσης δίκλωνη. Επιπλέον, αποδείχθηκε αρκετά απροσδόκητο ότι το RNA ορισμένων ιών μπορεί να είναι δίκλωνο. Αυτός ο νέος τύπος μακρομοριακής οργάνωσης του RNA ανακαλύφθηκε το 1962 από τους P. Gomatos, I. Tamm και άλλους ερευνητές σε ορισμένους ζωικούς ιούς και στον ιό όγκου των πληγών φυτών. Πρόσφατα, οι V. I. Agol και A. A. Bogdanov (1970) διαπίστωσαν ότι εκτός από τα γραμμικά μόρια RNA, υπάρχουν και κλειστά ή κυκλικά μόρια. Ανίχνευσαν κυκλικό δίκλωνο RNA, συγκεκριμένα στον ιό της εγκεφαλομυελοκαρδίτιδας. Χάρη στα έργα των X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovsky και άλλων (1960 - 1974), έγιναν γνωστά τα κύρια χαρακτηριστικά της οργάνωσης (απόθεσης) γενετικού υλικού σε βακτηριοφάγους.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, ο Αμερικανός επιστήμονας P. Doty διαπίστωσε ότι η θέρμανση προκαλεί μετουσίωση του DNA, η οποία συνοδεύεται από το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των ζευγών βάσεων και το διαχωρισμό των συμπληρωματικών αλυσίδων. Αυτή η διαδικασία έχει τον χαρακτήρα μιας μετάβασης φάσης "σπείρας-πηνίο" και μοιάζει με την τήξη των κρυστάλλων. Ως εκ τούτου, ο Doty ονόμασε τη διαδικασία της θερμικής μετουσίωσης του DNA τήξη του DNA. Με αργή ψύξη, λαμβάνει χώρα επαναδιάταξη των μορίων, δηλ. η επανένωση συμπληρωματικών μισών.

Η αρχή της επανασύνθεσης το 1960 χρησιμοποιήθηκε από τους J. Marmur και K. Schildkraut για τον προσδιορισμό του βαθμού «υβριδοποίησης» του DNA διαφορετικών μικροοργανισμών. Στη συνέχεια, οι E. Bolton και B. McCarthy βελτίωσαν αυτή την τεχνική προτείνοντας τη μέθοδο των λεγόμενων στηλών DNA-agar. Αυτή η μέθοδος αποδείχθηκε απαραίτητη για τη μελέτη του βαθμού ομολογίας της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας διαφορετικού DNA και την αποσαφήνιση της γενετικής σχέσης διαφορετικών οργανισμών. Η μετουσίωση του DNA που ανακαλύφθηκε από τον Doty σε συνδυασμό με τη χρωματογραφία σε μεθυλιωμένη λευκωματίνη που περιγράφεται από τους J. Mandel και A. Hershey * (1960) και φυγοκέντρηση σε βαθμίδα πυκνότητας (η μέθοδος αναπτύχθηκε το 1957 από τους M. Meselson, F. Stahl και D. Winograd) χρησιμοποιείται ευρέως για διαχωρισμό, απομόνωση και ανάλυση μεμονωμένων συμπληρωματικών κλώνων DNA. Για παράδειγμα, ο W. Shibalsky (ΗΠΑ), χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές για τον διαχωρισμό του DNA του φάγου λάμδα, έδειξε το 1967 - 1969 ότι και οι δύο αλυσίδες φάγων είναι γενετικά ενεργό, και όχι ένα, όπως θεωρήθηκε ότι ήταν (S. Spiegelman, 1961). Πρέπει να σημειωθεί ότι για πρώτη φορά η ιδέα της γενετικής σημασίας και των δύο κλώνων DNA του φάγου λάμδα εκφράστηκε στην ΕΣΣΔ από τον SE Bresler (1961).

* (Για το έργο τους στη γενετική των βακτηρίων και των ιών, ο A. Hershey, μαζί με τους M. Delbrück και S. Luria, τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1969.)

Για την κατανόηση της οργάνωσης και της λειτουργικής δραστηριότητας του γονιδιώματος, ο προσδιορισμός της αλληλουχίας νουκλεοτιδίων του DNA είναι υψίστης σημασίας. Η αναζήτηση μεθόδων για έναν τέτοιο προσδιορισμό πραγματοποιείται σε πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1950, ο M. Beer και οι συνεργάτες του προσπαθούσαν να δημιουργήσουν την αλληλουχία DNA χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία στις ΗΠΑ, αλλά μέχρι στιγμής χωρίς επιτυχία. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, από τις πρώτες εργασίες των Sinsheimer, Chargaff και άλλων ερευνητών σχετικά με την ενζυματική αποικοδόμηση του DNA, έγινε γνωστό ότι διαφορετικά νουκλεοτίδια σε ένα μόριο DNA κατανέμονται, αν και όχι τυχαία, αλλά άνισα. Σύμφωνα με τον Άγγλο χημικό C. Barton (1961), οι πυριμιδίνες (πάνω από 70%) συγκεντρώνονται κυρίως με τη μορφή των αντίστοιχων μπλοκ. Οι A. L. Mazin και B. F. Vanyushin (1968 - 1969) βρήκαν ότι διαφορετικά DNA έχουν διαφορετικούς βαθμούς συνοχής πυριμιδίνης και ότι στο DNA των ζωικών οργανισμών αυξάνεται σημαντικά καθώς μετακινείται από χαμηλότερα προς υψηλότερα. Έτσι, η εξέλιξη των οργανισμών αντανακλάται και στη δομή των γονιδιωμάτων τους. Γι' αυτό, για την κατανόηση της εξελικτικής διαδικασίας στο σύνολό της, η συγκριτική μελέτη της δομής των νουκλεϊκών οξέων έχει ιδιαίτερη σημασία. Η ανάλυση της δομής των βιολογικά σημαντικών πολυμερών και, πρώτα απ 'όλα, του DNA είναι εξαιρετικά σημαντική για την επίλυση πολλών ιδιαίτερων προβλημάτων φυλογενετικής και ταξινόμησης.

Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι ο Άγγλος φυσιολόγος E. Lankester, ο οποίος μελέτησε τις αιμοσφαιρίνες των μαλακίων, πρόβλεψε τις ιδέες της μοριακής βιολογίας ακριβώς πριν από 100 χρόνια, έγραψε: «Οι χημικές διαφορές μεταξύ διαφορετικών ειδών και γενών ζώων και φυτών είναι εξίσου σημαντικές για την αποσαφήνιση Αν μπορούσαμε να προσδιορίσουμε με σαφήνεια τις διαφορές στη μοριακή οργάνωση και λειτουργία των οργανισμών, θα μπορούσαμε να κατανοήσουμε την προέλευση και την εξέλιξη διαφορετικών οργανισμών πολύ καλύτερα από ό,τι με βάση μορφολογικές παρατηρήσεις» * . Η σημασία των βιοχημικών μελετών για την ταξινόμηση τονίστηκε επίσης από τον VL Komarov, ο οποίος έγραψε ότι "η βάση όλων ακόμη και των καθαρά μορφολογικών χαρακτηριστικών, βάσει των οποίων ταξινομούμε και καθιερώνουμε είδη, είναι ακριβώς οι βιοχημικές διαφορές" ** .

* (E. R. Lankester. Uber das Vorcommen von Hemoglobin in den Muskeln der Mollusken und die Verbreitung desselben in den lebendigen Organismen.- "Pfluger" s Archiv fur die gesammte Physiol., 1871, Bd 4, 319.)

** (V. L. Komarov. Επιλεγμένα έργα, τ. 1. Μ.-Λ., Εκδοτικός Οίκος της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ, 1945, σ. 331.)

Οι A. V. Blagoveshchenskii και S. L. Ivanov, πίσω στη δεκαετία του 1920, έκαναν τα πρώτα βήματα στη χώρα μας για να διαλευκάνουν ορισμένα ζητήματα της εξέλιξης και της συστηματικής των οργανισμών με βάση μια συγκριτική ανάλυση της βιοχημικής τους σύστασης (βλ. Κεφάλαιο 2). Συγκριτική ανάλυσηη δομή των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων γίνεται τώρα ένα όλο και πιο απτό εργαλείο για τους ταξινομιστές (βλ. Κεφάλαιο 21). Αυτή η μέθοδος μοριακής βιολογίας επιτρέπει όχι μόνο την αποσαφήνιση της θέσης μεμονωμένων ειδών στο σύστημα, αλλά επίσης καθιστά απαραίτητο να ρίξουμε μια νέα ματιά στις ίδιες τις αρχές της ταξινόμησης των οργανισμών και μερικές φορές να αναθεωρήσουμε ολόκληρο το σύστημα ως σύνολο, όπως συνέβη, για παράδειγμα, με τη συστηματική των μικροοργανισμών. Αναμφίβολα, στο μέλλον, η ανάλυση της δομής του γονιδιώματος θα καταλάβει κεντρική θέση στη χημειοσυστηματική των οργανισμών.

Μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας ήταν η αποκρυπτογράφηση των μηχανισμών αντιγραφής και μεταγραφής του DNA (βλ. Κεφάλαιο 24).

Βιοσύνθεση πρωτεϊνών

Μια σημαντική αλλαγή στην επίλυση του προβλήματος της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών συνδέεται με την πρόοδο στη μελέτη των νουκλεϊκών οξέων. Το 1941, ο T. Kasperson (Σουηδία) και το 1942, ο J. Brachet (Βέλγιο) επέστησαν την προσοχή στο γεγονός ότι οι ιστοί με ενεργή πρωτεϊνική σύνθεση περιέχουν αυξημένη ποσότητα RNA. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα ριβονουκλεϊκά οξέα παίζουν καθοριστικό ρόλο στη σύνθεση πρωτεϊνών. Το 1953, οι E. Gale και D. Fox φαίνεται ότι έλαβαν άμεσες ενδείξεις για την άμεση εμπλοκή του RNA στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών: σύμφωνα με τα δεδομένα τους, η ριβονουκλεάση κατέστειλε σημαντικά την ενσωμάτωση αμινοξέων σε προϊόντα λύσης βακτηριακών κυττάρων. Παρόμοια δεδομένα λήφθηκαν από τους V. Olfri, M. Delhi and A. Mirsky (1953) για ομογενοποιήματα ήπατος. Αργότερα, ο Ε. Γκέιλ απέρριψε τη σωστή ιδέα που είχε εκφράσει για τον ηγετικό ρόλο του RNA στη σύνθεση πρωτεϊνών, πιστεύοντας λανθασμένα ότι η ενεργοποίηση της πρωτεϊνοσύνθεσης σε ένα σύστημα χωρίς κύτταρα συνέβη υπό την επίδραση κάποιας άλλης ουσίας άγνωστης φύσης. Το 1954, οι P. Zamechnik, D. Littlefield, R. B. Khesin-Lurie και άλλοι διαπίστωσαν ότι η πιο ενεργή ενσωμάτωση αμινοξέων συμβαίνει σε πλούσια σε RNA κλάσματα υποκυτταρικών σωματιδίων - μικροσωμάτων. Οι P. Zamechnik και Ε. Keller (1953 - 1954) βρήκαν ότι η ενσωμάτωση αμινοξέων ενισχύθηκε αισθητά παρουσία του υπερκειμένου υπό συνθήκες αναγέννησης ΑΤΡ. Οι P. Sikevitz (1952) και M. Hoagland (1956) απομόνωσαν ένα κλάσμα πρωτεΐνης (κλάσμα pH 5) από το υπερκείμενο, το οποίο ήταν υπεύθυνο για την απότομη διέγερση της συμπερίληψης αμινοξέων σε μικροσώματα. Μαζί με τις πρωτεΐνες, βρέθηκε στο υπερκείμενο μια ειδική κατηγορία RNA χαμηλού μοριακού βάρους, που τώρα ονομάζονται RNA μεταφοράς (tRNA). Το 1958, οι Hoagland και Zamechnik, καθώς και οι P. Berg, R. Sweet και F. Allen, και πολλοί άλλοι ερευνητές ανακάλυψαν ότι κάθε αμινοξύ απαιτεί το δικό του ειδικό ένζυμο, ATP και συγκεκριμένο tRNA για να ενεργοποιηθεί. Έγινε σαφές ότι τα tRNA εκτελούν αποκλειστικά τη λειτουργία προσαρμογέων, δηλαδή συσκευών που βρίσκουν μια θέση στη νουκλεϊκή μήτρα (mRNA) για το αντίστοιχο αμινοξύ στο αναδυόμενο μόριο πρωτεΐνης. Αυτές οι μελέτες επιβεβαίωσαν πλήρως την υπόθεση προσαρμογής του F. Crick (1957), η οποία προέβλεπε την ύπαρξη στο κύτταρο πολυνουκλεοτιδικών προσαρμογών που είναι απαραίτητοι για τη σωστή διάταξη των υπολειμμάτων αμινοξέων της συντιθέμενης πρωτεΐνης στη νουκλεϊκή μήτρα. Πολύ αργότερα, ο Γάλλος επιστήμονας F. Chapville (1962) στο εργαστήριο του F. Lipman (Βραβείο Νόμπελ, 1953) στις ΗΠΑ έδειξε πολύ έξυπνα και κατηγορηματικά ότι η θέση ενός αμινοξέος σε ένα μόριο συντιθέμενης πρωτεΐνης καθορίζεται πλήρως από το συγκεκριμένο tRNA στο οποίο είναι συνδεδεμένο. Η υπόθεση του προσαρμογέα του Crick αναπτύχθηκε από τους Hoagland και Zamechnik.

Μέχρι το 1958, έγιναν γνωστά τα ακόλουθα κύρια στάδια της πρωτεϊνικής σύνθεσης: 1) ενεργοποίηση ενός αμινοξέος από ένα συγκεκριμένο ένζυμο από το «κλάσμα pH 5» παρουσία ΑΤΡ με το σχηματισμό αδενυλικού αμινοακυλεστέρα. 2) σύνδεση ενός ενεργοποιημένου αμινοξέος σε ένα συγκεκριμένο tRNA με την απελευθέρωση μονοφωσφορικής αδενοσίνης (AMP). 3) δέσμευση αμινοακυλο-tRNA (tRNA φορτωμένο με αμινοξύ) σε μικροσώματα και ενσωμάτωση αμινοξέων σε πρωτεΐνη με απελευθέρωση tRNA. Ο Hoagland (1958) σημείωσε ότι η τριφωσφορική γουανοσίνη (GTP) απαιτείται στο τελευταίο στάδιο της πρωτεϊνικής σύνθεσης.

Μεταφορά RNA και γονιδιακή σύνθεση

Μετά την ανακάλυψη των tRNAs, ξεκίνησαν ενεργές έρευνες για την κλασματοποίησή τους και τον προσδιορισμό της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας. Ο Αμερικανός βιοχημικός R. Holly σημείωσε τη μεγαλύτερη επιτυχία. Το 1965, καθιέρωσε τη δομή του tRNA αλανίνης από ζυμομύκητα. Χρησιμοποιώντας ριβονουκλεάσες (γουανυλο RNase και παγκρεατική RNase), η Holly διαίρεσε το μόριο νουκλεϊκού οξέος σε πολλά θραύσματα, προσδιόρισε την αλληλουχία νουκλεοτιδίων σε καθένα από αυτά ξεχωριστά και στη συνέχεια ανακατασκεύασε την αλληλουχία ολόκληρου του μορίου tRNA αλανίνης. Αυτός ο τρόπος ανάλυσης της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας ονομάζεται μέθοδος μπλοκ. Η αξία του Χόλι συνίστατο κυρίως στο γεγονός ότι έμαθε να διαιρεί το μόριο RNA όχι μόνο σε μικρά κομμάτια, όπως έκαναν πολλοί πριν από αυτόν, αλλά και σε μεγάλα θραύσματα (τέταρτα και μισά). Αυτό του έδωσε την ευκαιρία να συναρμολογήσει σωστά μεμονωμένα μικρά κομμάτια μαζί και έτσι να αναδημιουργήσει την πλήρη αλληλουχία νουκλεοτιδίων ολόκληρου του μορίου tRNA (Βραβείο Νόμπελ, 1968).

Αυτή η τεχνική υιοθετήθηκε αμέσως από πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Τα επόμενα δύο χρόνια, η πρωτογενής δομή αρκετών tRNAs αποκρυπτογραφήθηκε στην ΕΣΣΔ και στο εξωτερικό. Ο A. A. Baev (1967) και οι συνεργάτες του καθιέρωσαν την νουκλεοτιδική αλληλουχία σε tRNA βαλίνης ζυμομύκητα για πρώτη φορά. Μέχρι σήμερα, έχουν μελετηθεί περισσότερα από δώδεκα διαφορετικά μεμονωμένα tRNA. Ένα περίεργο ρεκόρ στον προσδιορισμό της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας σημειώθηκε στο Cambridge από τους F. Senger και G. Brownlee. Αυτοί οι ερευνητές ανέπτυξαν μια εκπληκτικά κομψή μέθοδο για τον διαχωρισμό ολιγονουκλεοτιδίων και τον προσδιορισμό της αλληλουχίας του λεγόμενου 5 S (ριβοσωμικού) RNA από κύτταρα E. coli (1968). Αυτό το RNA αποτελείται από 120 υπολείμματα νουκλεοτιδίων και, σε αντίθεση με το tRNA, δεν περιέχει πρόσθετες δευτερεύουσες βάσεις, οι οποίες διευκολύνουν πολύ την ανάλυση της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας, λειτουργώντας ως μοναδικά ορόσημα για μεμονωμένα θραύσματα του μορίου. Προς το παρόν, χάρη στη χρήση της μεθόδου Sanger και Brownlee, οι εργασίες για τη μελέτη της αλληλουχίας μακρών ριβοσωμικών RNA και ορισμένων ιικών RNA προχωρούν με επιτυχία στο εργαστήριο του J. Ebel (Γαλλία) και άλλων ερευνητών.

Ο A. A. Baev και οι συνεργάτες του (1967) βρήκαν ότι το tRNA της βαλίνης κομμένο στη μέση αποκαθιστά τη μακρομοριακή δομή του σε διάλυμα και, παρά το ελάττωμα στην πρωτογενή δομή, έχει τη λειτουργική δραστηριότητα του αρχικού (φυσικού) μορίου. Αυτή η προσέγγιση - η ανακατασκευή ενός κομμένου μακρομορίου μετά την αφαίρεση ορισμένων θραυσμάτων - αποδείχθηκε πολλά υποσχόμενη. Χρησιμοποιείται πλέον ευρέως για την αποσαφήνιση του λειτουργικού ρόλου μεμονωμένων τμημάτων ορισμένων tRNA.

Τα τελευταία χρόνια, έχει επιτευχθεί μεγάλη επιτυχία στη λήψη κρυσταλλικών παρασκευασμάτων μεμονωμένων tRNA. Πολλά tRNA έχουν ήδη κρυσταλλωθεί σε αρκετά εργαστήρια στις ΗΠΑ και την Αγγλία. Αυτό κατέστησε δυνατή τη μελέτη της δομής του tRNA χρησιμοποιώντας ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ. Το 1970, ο R. Bock παρουσίασε τα πρώτα μοτίβα ακτίνων Χ και τρισδιάστατα μοντέλα πολλών tRNA που είχε δημιουργήσει στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν. Αυτά τα μοντέλα βοηθούν στον προσδιορισμό του εντοπισμού μεμονωμένων λειτουργικά ενεργών θέσεων στο tRNA και στην κατανόηση των βασικών αρχών της λειτουργίας αυτών των μορίων.

Η αποκρυπτογράφηση της φύσης του γενετικός κώδικας(βλ. Κεφάλαιο 24), που χωρίς υπερβολή μπορεί να θεωρηθεί ως η κορυφαία κατάκτηση της φυσικής επιστήμης στον 20ο αιώνα.

Η ανακάλυψη της πρωτογενούς δομής του tRNA από τον R. Holly έδωσε ώθηση στο έργο του G. Korana * (ΗΠΑ) σχετικά με τη σύνθεση ολιγονουκλεοτιδίων και τα κατεύθυνε προς τη σύνθεση μιας συγκεκριμένης βιολογικής δομής - ενός μορίου DNA που κωδικοποιεί tRNA αλανίνης. Τα πρώτα βήματα στη χημική σύνθεση βραχέων ολιγονουκλεοτιδίων που κατασκευάστηκαν από το Κοράνι σχεδόν πριν από 15 χρόνια κορυφώθηκαν το 1970 με την πρώτη σύνθεση γονιδίων. Ο Κοράν και οι συνεργάτες του συνέθεσαν αρχικά χημικά μικρά θραύσματα 8-12 υπολειμμάτων νουκλεοτιδίων από μεμονωμένα νουκλεοτίδια. Αυτά τα θραύσματα με μια δεδομένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων σχημάτισαν αυθόρμητα δίκλωνα συμπληρωματικά κομμάτια με επικάλυψη 4-5 νουκλεοτιδίων. Στη συνέχεια, αυτά τα έτοιμα κομμάτια ενώθηκαν από άκρη σε άκρη με τη σωστή σειρά χρησιμοποιώντας το ένζυμο DNA λιγάση. Έτσι, σε αντίθεση με την αντιγραφή των μορίων DNA, σύμφωνα με τον A. Kornberg ** (βλ. Κεφάλαιο 24), το Κοράνι κατάφερε να δημιουργήσει εκ νέου ένα φυσικό μόριο δίκλωνου DNA σύμφωνα με ένα προσχεδιασμένο πρόγραμμα σύμφωνα με την αλληλουχία tRNA που περιγράφεται από τον Holly. Ομοίως, τώρα βρίσκεται σε εξέλιξη εργασία για τη σύνθεση άλλων γονιδίων (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (Για τη μελέτη του γενετικού κώδικα, οι G. Koran και M. Nirenberg τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1968.)

** (Για την ανακάλυψη της πολυμεράσης και της σύνθεσης DNA ο A. Kornberg και για τη σύνθεση του RNA ο S. Ochoa το 1959 τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ.)

Μικροσώματα, ριβοσώματα, μετάφραση

Στα μέσα της δεκαετίας του 1950, πιστευόταν ότι τα μικροσώματα ήταν το κέντρο της πρωτεϊνικής σύνθεσης στο κύτταρο. Ο όρος μικροσώματα εισήχθη για πρώτη φορά το 1949 από τον A. Claude για να αναφέρεται στο κλάσμα των μικρών κόκκων. Αργότερα αποδείχθηκε ότι όχι ολόκληρο το κλάσμα των μικροσωμάτων, που αποτελείται από μεμβράνες και κόκκους, αλλά μόνο μικρά σωματίδια ριβονουκλεοπρωτεΐνης, είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Αυτά τα σωματίδια το 1958 ονομάστηκαν ριβοσώματα από τον R. Roberts.

Κλασικές μελέτες βακτηριακών ριβοσωμάτων πραγματοποιήθηκαν από τους A. Tisier και J. Watson το 1958-1959. Τα βακτηριακά ριβοσώματα αποδείχθηκε ότι ήταν κάπως μικρότερα από τα φυτικά και τα ζωικά. Οι J. Littleton (1960), M. Clark (1964) και E. N. Svetailo (1966) έδειξαν ότι τα ριβοσώματα των χλωροπλαστών των ανώτερων φυτών και των μιτοχονδρίων ανήκουν στον βακτηριακό τύπο. Οι A. Tisier και άλλοι (1958) βρήκαν ότι τα ριβοσώματα διασπώνται σε δύο άνισες υπομονάδες που περιέχουν ένα μόριο RNA η καθεμία. Στα τέλη της δεκαετίας του '50, πιστευόταν ότι κάθε μόριο ριβοσωμικού RNA αποτελείται από πολλά μικρά θραύσματα. Ωστόσο, το AS Spirin το 1960 ήταν το πρώτο που έδειξε ότι το RNA στα υποσωματίδια αντιπροσωπεύεται από ένα συνεχές μόριο. Ο D. Waller (1960), έχοντας διαχωρίσει τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας ηλεκτροφόρηση γέλης αμύλου, βρήκε ότι είναι πολύ ετερογενείς. Στην αρχή, πολλοί αμφισβήτησαν τα δεδομένα του Waller, αφού φαινόταν ότι η πρωτεΐνη ριβοσώματος θα έπρεπε να είναι αυστηρά ομοιογενής, όπως, για παράδειγμα, η πρωτεΐνη TMV. Επί του παρόντος, ως αποτέλεσμα της έρευνας των D. Waller, R. Trout, P. Traub και άλλων βιοχημικών, έχει γίνει γνωστό ότι η σύνθεση των πραγματικών ριβοσωμικών σωματιδίων περιλαμβάνει περισσότερες από 50 πρωτεΐνες που είναι εντελώς διαφορετικές στη δομή. Το AS Spirin το 1963 ήταν το πρώτο που ξεδίπλωσε ριβοσωματικά υποσωματίδια και έδειξε ότι τα ριβοσώματα είναι ένας συμπαγής στριμμένος κλώνος ριβονουκλεοπρωτεΐνης, ο οποίος μπορεί να ξεδιπλωθεί υπό ορισμένες συνθήκες. Το 1967 - 1968 Ο M. Nomura ανακατασκεύασε πλήρως μια βιολογικά ενεργή υπομονάδα από ριβοσωμικό RNA και πρωτεΐνη και έλαβε ακόμη και ριβοσώματα στα οποία η πρωτεΐνη και το RNA ανήκαν σε διαφορετικούς μικροοργανισμούς.

Ο ρόλος του ριβοσωμικού RNA είναι ακόμα ασαφής. Υποτίθεται ότι είναι εκείνη η μοναδική ειδική μήτρα στην οποία, κατά τον σχηματισμό ενός ριβοσωμικού σωματιδίου, κάθε μία από τις πολυάριθμες ριβοσωμικές πρωτεΐνες βρίσκει μια αυστηρά καθορισμένη θέση (AS Spirin, 1968).

Ο A. Rich (1962) ανακάλυψε συσσωματώματα αρκετών ριβοσωμάτων που συνδέονται μεταξύ τους με μια αλυσίδα mRNA. Αυτά τα σύμπλοκα ονομάστηκαν πολυσώματα. Η ανακάλυψη των πολυσωμάτων επέτρεψε στους Rich και Watson (1963) να προτείνουν ότι η σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας συμβαίνει στο ριβόσωμα, το οποίο, όπως ήταν, κινείται κατά μήκος της αλυσίδας mRNA. Καθώς το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος της αλυσίδας mRNA, οι πληροφορίες διαβάζονται στο σωματίδιο και σχηματίζεται η πρωτεϊνική πολυπεπτιδική αλυσίδα και νέα ριβοσώματα συνδέονται εναλλάξ στο απελευθερωμένο άκρο ανάγνωσης του mRNA. Από τα δεδομένα των Rich και Watson, προέκυψε ότι η σημασία των πολυσωμάτων σε ένα κύτταρο έγκειται στη μαζική παραγωγή πρωτεΐνης με διαδοχική ανάγνωση της μήτρας από πολλά ριβοσώματα ταυτόχρονα.

Ως αποτέλεσμα της έρευνας των M. Nirenberg, S. Ochoa, F. Lipman, G. Korana και άλλων το 1963 - 1970. έγινε γνωστό ότι μαζί με το mRNA, τα ριβοσώματα, το ATP και το αμινοακυλο-tRNA, ένας μεγάλος αριθμός διαφόρων παραγόντων συμμετέχει στη διαδικασία μετάφρασης και η ίδια η διαδικασία μετάφρασης μπορεί να χωριστεί υπό όρους σε τρία στάδια - έναρξη, μετάφραση και τερματισμός.

Η έναρξη της μετάφρασης σημαίνει τη σύνθεση του πρώτου πεπτιδικού δεσμού στο σύμπλοκο ριβόσωμα - πολυνουκλεοτίδιο εκμαγείου - αμινοακυλο-tRNA. Τέτοια εναρκτήρια δράση δεν κατέχεται από οποιοδήποτε αμινοακυλο-tRNA, αλλά από φορμυλομεθειονυλο-tRNA. Αυτή η ουσία απομονώθηκε για πρώτη φορά το 1964 από τους F. Senger και K. Marker. Οι S. Bretcher και K. Marker (1966) έδειξαν ότι η αρχική λειτουργία του φορμυλομεθειονυλ-tRNA οφείλεται στην αυξημένη συγγένειά του για το πεπτιδυλικό κέντρο του ριβοσώματος. Για την έναρξη της μετάφρασης, εξαιρετικά σημαντικοί είναι και ορισμένοι παράγοντες έναρξης πρωτεΐνης, οι οποίοι απομονώθηκαν στα εργαστήρια των S. Ochoa, F. Gro και άλλων ερευνητικών κέντρων. Μετά το σχηματισμό του πρώτου πεπτιδικού δεσμού στο ριβόσωμα, αρχίζει η ίδια η μετάφραση, δηλ. η διαδοχική προσθήκη ενός υπολείμματος αμινοακυλίου στο C-άκρο του πολυπεπτιδίου. Πολλές λεπτομέρειες της μεταφραστικής διαδικασίας μελετήθηκαν από τους K. Monroe και J. Bishop (Αγγλία), I. Rykhlik και F. Shorm (Τσεχοσλοβακία), F. Lipman, M. Bretcher, W. Gilbert (ΗΠΑ) και άλλους ερευνητές. Το 1968, ο A. S. Spirin πρότεινε μια πρωτότυπη υπόθεση για να εξηγήσει τον μηχανισμό του ριβοσώματος. Ο μηχανισμός οδήγησης που εξασφαλίζει όλες τις χωρικές κινήσεις του tRNA και του mRNA κατά τη μετάφραση είναι το περιοδικό άνοιγμα και κλείσιμο των υποσωματιδίων του ριβοσώματος. Ο τερματισμός μετάφρασης κωδικοποιείται στον ίδιο τον αναγνώσιμο πίνακα, ο οποίος περιέχει τα κωδικόνια τερματισμού. Όπως φαίνεται από τον S. Brenner (1965 - 1967), οι τρίδυμες UAA, UAG και UGA είναι τέτοια κωδικόνια. Ο M. Capecci (1967) προσδιόρισε επίσης ειδικούς παράγοντες τερματισμού πρωτεΐνης. Οι AS Spirin και LP Gavrilova περιέγραψαν τη λεγόμενη «μη ενζυματική» πρωτεϊνική σύνθεση σε ριβοσώματα (1972 - 1975) χωρίς τη συμμετοχή πρωτεϊνικών παραγόντων. Αυτή η ανακάλυψη είναι σημαντική για την κατανόηση της προέλευσης και της εξέλιξης της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών.

Ρύθμιση γονιδιακής και πρωτεϊνικής δραστηριότητας

Μετά το πρόβλημα της εξειδίκευσης της πρωτεϊνικής σύνθεσης, το πρόβλημα της ρύθμισης της πρωτεϊνικής σύνθεσης, ή, το ίδιο, η ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας, αποδείχθηκε ότι βρίσκεται στην πρώτη θέση στη μοριακή βιολογία.

Η λειτουργική ανισότητα των κυττάρων και η καταστολή και η ενεργοποίηση γονιδίων που σχετίζονται με αυτήν έχουν προσελκύσει από καιρό την προσοχή των γενετιστών, αλλά μέχρι πρόσφατα ο πραγματικός μηχανισμός ελέγχου της γονιδιακής δραστηριότητας παρέμενε άγνωστος.

Οι πρώτες προσπάθειες να εξηγηθεί η ρυθμιστική δραστηριότητα των γονιδίων συνδέθηκαν με τη μελέτη των πρωτεϊνών ιστόνης. Ακόμη και οι σύζυγοι Steadman * στις αρχές της δεκαετίας του '40 του ΧΧ αιώνα. πρότεινε ότι είναι οι ιστόνες που μπορούν να παίξουν τον κύριο ρόλο σε αυτό το φαινόμενο. Στη συνέχεια, έλαβαν τα πρώτα σαφή δεδομένα σχετικά με τις διαφορές στη χημική φύση των πρωτεϊνών ιστόνης. Επί του παρόντος, ο αριθμός των γεγονότων που μαρτυρούν υπέρ αυτής της υπόθεσης αυξάνεται κάθε χρόνο.

* (Ε. Στέντμαν, Ε. Στέντμαν. Οι βασικές πρωτεΐνες των κυτταρικών πυρήνων.- Φιλοσοφ. Μεταφρ. Ρόι. soc. Λονδίνο, 1951, v. 235, 565 - 595.)

Ταυτόχρονα, συσσωρεύεται ένας αυξανόμενος όγκος δεδομένων, υποδεικνύοντας ότι η ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας είναι μια πολύ πιο περίπλοκη διαδικασία από την απλή αλληλεπίδραση τμημάτων γονιδίου με μόρια πρωτεΐνης ιστόνης. Το 1960 - 1962 στο εργαστήριο του R. B. Khesin-Lurie, διαπιστώθηκε ότι τα γονίδια των φάγων αρχίζουν να διαβάζονται όχι ταυτόχρονα: τα γονίδια φάγων Τ2 μπορούν να χωριστούν σε πρώιμα γονίδια, η λειτουργία των οποίων συνέβη στα πρώτα λεπτά μόλυνσης ενός βακτηριακού κυττάρου , και όψιμες, που άρχισαν να συνθέτουν mRNA μετά την ολοκλήρωση της εργασίας των πρώιμων γονιδίων.

Το 1961, οι Γάλλοι βιοχημικοί F. Jacob και J. Monod πρότειναν ένα σχήμα για τη ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας, το οποίο έπαιξε εξαιρετικό ρόλο στην κατανόηση των ρυθμιστικών μηχανισμών του κυττάρου γενικά. Σύμφωνα με το σχήμα των Jacob και Monod, εκτός από τα δομικά (πληροφοριακά) γονίδια, το DNA περιέχει επίσης γονίδια-ρυθμιστές και γονίδια-τελεστές. Το γονίδιο ρυθμιστή κωδικοποιεί τη σύνθεση μιας συγκεκριμένης ουσίας - ενός καταστολέα, ο οποίος μπορεί να προσκολληθεί τόσο στον επαγωγέα όσο και στο γονίδιο χειριστή. Το γονίδιο χειριστή συνδέεται με δομικά γονίδια, ενώ το γονίδιο ρυθμιστή βρίσκεται σε κάποια απόσταση από αυτά. Εάν δεν υπάρχει επαγωγέας στο περιβάλλον, για παράδειγμα, λακτόζη, τότε ο καταστολέας που συντίθεται από το γονίδιο ρυθμιστή συνδέεται με το γονίδιο χειριστή και, εμποδίζοντάς το, απενεργοποιεί το έργο ολόκληρου του οπερονίου (ένα μπλοκ δομικών γονιδίων μαζί με τον χειριστή που τους ελέγχει). Ο σχηματισμός ενζύμων δεν συμβαίνει υπό αυτές τις συνθήκες. Εάν εμφανιστεί ένας επαγωγέας (λακτόζη) στο μέσο, ​​τότε το προϊόν του γονιδίου ρυθμιστή, ο καταστολέας, συνδέεται με τη λακτόζη και αφαιρεί το μπλοκ από το γονίδιο χειριστή. Σε αυτή την περίπτωση, η εργασία του δομικού γονιδίου που κωδικοποιεί τη σύνθεση του ενζύμου καθίσταται δυνατή και το ένζυμο (λακτόζη) εμφανίζεται στο μέσο.

Σύμφωνα με τους Jacob και Monod, αυτό το σχήμα ρύθμισης ισχύει για όλα τα προσαρμοστικά ένζυμα και μπορεί να λάβει χώρα τόσο κατά την καταστολή, όταν ο σχηματισμός του ενζύμου καταστέλλεται από την περίσσεια του προϊόντος αντίδρασης, όσο και κατά τη διάρκεια της επαγωγής, όταν η εισαγωγή ενός υποστρώματος προκαλεί τη σύνθεση του ενζύμου. Για μελέτες της ρύθμισης της γονιδιακής δραστηριότητας, ο Jacob και ο Monod τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1965.

Αρχικά, αυτό το σχέδιο φαινόταν πολύ τραβηγμένο. Ωστόσο, αργότερα αποδείχθηκε ότι η ρύθμιση των γονιδίων σύμφωνα με αυτή την αρχή λαμβάνει χώρα όχι μόνο σε βακτήρια, αλλά και σε άλλους οργανισμούς.

Από το 1960, εξέχουσα θέση στη μοριακή βιολογία έχουν καταλάβει οι μελέτες για την οργάνωση του γονιδιώματος και τη δομή της χρωματίνης σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς (J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov , I. B. Zbarsky και άλλοι .) και ρύθμιση της μεταγραφής (A. Mirsky, G. P. Georgiev, M. Bernstiel, D. Goll, R. Tsanev, R. I. Salganik). Για πολύ καιρό, η φύση του καταστολέα παρέμενε άγνωστη και αμφιλεγόμενη. Το 1968, ο M. Ptashne (ΗΠΑ) έδειξε ότι μια πρωτεΐνη είναι καταστολέας. Το απομόνωσε στο εργαστήριο του J. Watson και διαπίστωσε ότι ο καταστολέας έχει πράγματι συγγένεια με τον επαγωγέα (λακτόζη) και ταυτόχρονα «αναγνωρίζει» το γονίδιο χειριστή του οπερονίου lac και συνδέεται συγκεκριμένα με αυτό.

Τα τελευταία 5 - 7 χρόνια, έχουν ληφθεί δεδομένα σχετικά με την παρουσία ενός άλλου κυττάρου ελέγχου της γονιδιακής δραστηριότητας - του προαγωγέα. Αποδείχθηκε ότι δίπλα στην τοποθεσία χειριστή, στην οποία είναι προσαρτημένο το προϊόν που συντίθεται στον γονιδιακό ρυθμιστή - η πρωτεϊνική ουσία του καταστολέα, υπάρχει μια άλλη θέση, η οποία θα πρέπει επίσης να αποδοθεί στα μέλη του ρυθμιστικού συστήματος του γονιδίου δραστηριότητα. Ένα μόριο πρωτεΐνης του ενζύμου RNA πολυμεράση είναι προσκολλημένο σε αυτή τη θέση. Στην περιοχή του προαγωγέα, πρέπει να συμβεί αμοιβαία αναγνώριση της μοναδικής νουκλεοτιδικής αλληλουχίας στο DNA και της ειδικής διαμόρφωσης της πρωτεΐνης πολυμεράσης RNA. Η εφαρμογή της διαδικασίας ανάγνωσης γενετικών πληροφοριών με μια δεδομένη αλληλουχία γονιδίων του οπερονίου δίπλα στον προαγωγέα θα εξαρτηθεί από την αποτελεσματικότητα αναγνώρισης.

Εκτός από το σχήμα που περιγράφεται από τους Jacob και Monod, υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί γονιδιακής ρύθμισης στο κύτταρο. Οι F. Jacob και S. Brenner (1963) διαπίστωσαν ότι η ρύθμιση της αντιγραφής του βακτηριακού DNA ελέγχεται με συγκεκριμένο τρόπο από την κυτταρική μεμβράνη. Τα πειράματα του Jacob (1954) σχετικά με την επαγωγή διάφορων προφάγων έδειξαν πειστικά ότι υπό την επίδραση διαφόρων μεταλλαξογόνων παραγόντων στο κύτταρο των λυσογόνων βακτηρίων, ξεκινά η εκλεκτική αναπαραγωγή του γονιδίου προφάγου και εμποδίζεται η αναπαραγωγή του γονιδιώματος του ξενιστή. Το 1970, ο F. Bell ανέφερε ότι μικρά μόρια DNA μπορούν να περάσουν από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα και να μεταγραφούν εκεί.

Έτσι, η γονιδιακή δραστηριότητα μπορεί να ρυθμιστεί στο επίπεδο αντιγραφής, μεταγραφής και μετάφρασης.

Σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί στη μελέτη της ρύθμισης όχι μόνο της σύνθεσης των ενζύμων, αλλά και της δραστηριότητάς τους. Οι A. Novik και L. Szilard επεσήμαναν τα φαινόμενα ρύθμισης της δραστηριότητας των ενζύμων στο κύτταρο στη δεκαετία του 1950. Ο G. Umbarger (1956) βρήκε ότι στο κύτταρο υπάρχει ένας πολύ λογικός τρόπος να καταστέλλεται η δραστηριότητα του ενζύμου από το τελικό προϊόν της αλυσίδας αντιδράσεων ανάδρασης. Όπως καθιερώθηκε από τους J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy και άλλους ερευνητές (1956 - 1960), η ρύθμιση της ενζυμικής δραστηριότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί σύμφωνα με την αλλοστερική αρχή. Το ένζυμο ή μια από τις υπομονάδες του, εκτός από τη συγγένεια για το υπόστρωμα, έχει μια συγγένεια και για ένα από τα προϊόντα της αλυσίδας αντίδρασης. Υπό την επίδραση ενός τέτοιου προϊόντος σήματος, το ένζυμο αλλάζει τη διαμόρφωσή του με τέτοιο τρόπο ώστε να χάνει τη δραστηριότητα του. Ως αποτέλεσμα, ολόκληρη η αλυσίδα των ενζυματικών αντιδράσεων απενεργοποιείται στην αρχή. Οι D. Wieman και R. Woodward (1952, νικητής του βραβείου Νόμπελ, 1965) επεσήμαναν τον ουσιαστικό ρόλο των αλλαγών διαμόρφωσης πρωτεϊνών στις ενζυματικές αντιδράσεις, και υπό μια ορισμένη έννοια, την παρουσία ενός αλλοστερικού αποτελέσματος.

Δομή και λειτουργία των πρωτεϊνών

Ως αποτέλεσμα του έργου των T. Osborn, G. Hofmeister, A. Gurber, F. Schulz και πολλών άλλων στα τέλη του 19ου αιώνα. Πολλές ζωικές και φυτικές πρωτεΐνες έχουν ληφθεί σε κρυσταλλική μορφή. Την ίδια περίπου εποχή, τα μοριακά βάρη ορισμένων πρωτεϊνών προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας διάφορες φυσικές μεθόδους. Έτσι, το 1891, οι A. Sabaneev και N. Alexandrov ανέφεραν ότι το μοριακό βάρος της ωολευκωματίνης είναι 14.000. το 1905, ο E. Reid διαπίστωσε ότι το μοριακό βάρος της αιμοσφαιρίνης είναι 48.000. Η πολυμερική δομή των πρωτεϊνών ανακαλύφθηκε το 1871 από τους G. Glasivetz και D. Gaberman. Η ιδέα ενός πεπτιδικού δεσμού μεμονωμένων υπολειμμάτων αμινοξέων σε πρωτεΐνες προτάθηκε από τον T. Curtius (1883). Εργασία για τη χημική συμπύκνωση αμινοξέων (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano and D. Traschiatti, 1900) και τη σύνθεση ετεροπολυπεπτιδίων (E. Fisher, 1902 - 1907, βραβείο Νόμπελ, 1907). οδήγησε στην ανάπτυξη των βασικών αρχών της χημικής δομής των πρωτεϊνών.

Το πρώτο κρυσταλλικό ένζυμο (ουρεάση) ελήφθη το 1926 από τον J. Sumner (Βραβείο Νόμπελ, 1946), και το 1930 ο J. Northrop (Βραβείο Νόμπελ, 1946) έλαβε κρυσταλλική πεψίνη. Μετά από αυτές τις εργασίες, έγινε σαφές ότι τα ένζυμα είναι πρωτεϊνικής φύσης. Το 1940, ο M. Kunits απομόνωσε κρυσταλλική RNase. Μέχρι το 1958, περισσότερα από 100 κρυσταλλικά ένζυμα και πάνω από 500 μη κρυσταλλικά ένζυμα ήταν ήδη γνωστά. Η απόκτηση εξαιρετικά καθαρισμένων παρασκευασμάτων μεμονωμένων πρωτεϊνών συνέβαλε στην αποκρυπτογράφηση της πρωτογενούς δομής και της μακρομοριακής τους οργάνωσης.

Μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας γενικά και της ανθρώπινης γενετικής ειδικότερα, ήταν η ανακάλυψη από τον L. Pauling (1940) της μη φυσιολογικής αιμοσφαιρίνης S, που απομονώθηκε από τα ερυθροκύτταρα ατόμων με σοβαρή κληρονομική νόσο, δρεπανοκυτταρική αναιμία. Το 1955 - 1957 Ο W. Ingram χρησιμοποίησε τη μέθοδο «δακτυλικού αποτυπώματος» που αναπτύχθηκε από τον F. Sanger (κηλίδες που σχηματίζονται από μεμονωμένα πεπτίδια κατά τη χρωματογραφία σε χαρτί) για να αναλύσει τα προϊόντα της υδρόλυσης της αιμοσφαιρίνης S με άλκαλι και θρυψίνη. Το 1961, ο Ingram ανέφερε ότι η αιμοσφαιρίνη S διαφέρει από την κανονική αιμοσφαιρίνη μόνο ως προς τη φύση ενός υπολείμματος αμινοξέος: στη φυσιολογική αιμοσφαιρίνη, ένα υπόλειμμα γλουταμικού οξέος βρίσκεται στην έβδομη θέση της αλυσίδας και στην αιμοσφαιρίνη S, ένα υπόλειμμα βαλίνης. Έτσι, η υπόθεση του Pauling (1949) ότι η δρεπανοκυτταρική αναιμία είναι μια ασθένεια μοριακής φύσης επιβεβαιώθηκε πλήρως. Μια κληρονομική αλλαγή σε ένα μόνο κατάλοιπο αμινοξέος σε κάθε μισό του μακρομορίου αιμοσφαιρίνης οδηγεί στο γεγονός ότι η αιμοσφαιρίνη χάνει την ικανότητά της να διαλύεται εύκολα σε χαμηλή συγκέντρωση οξυγόνου και αρχίζει να κρυσταλλώνεται, γεγονός που οδηγεί σε διαταραχή της κυτταρικής δομής. Αυτές οι μελέτες έδειξαν ξεκάθαρα ότι η δομή μιας πρωτεΐνης είναι μια αυστηρά καθορισμένη αλληλουχία αμινοξέων που κωδικοποιείται στο γονιδίωμα. Οι εργασίες του K. Anfinsen (1951) μαρτυρούν την εξαιρετική σημασία της πρωτογενούς δομής μιας πρωτεΐνης στο σχηματισμό μιας μοναδικής βιολογικά ενεργής διαμόρφωσης ενός μακρομορίου. Ο Anfinsen έδειξε ότι η βιολογικά ενεργή μακροδομή της παγκρεατικής ριβονουκλεάσης, η οποία χάνεται ως αποτέλεσμα της αποκατάστασης, είναι προκαθορισμένη από την αλληλουχία αμινοξέων και μπορεί να επανεμφανιστεί αυθόρμητα κατά την οξείδωση των ομάδων SH υπολειμμάτων κυστεΐνης με τον σχηματισμό δισουλφιδικών σταυροδεσμών αυστηρά. καθορισμένες θέσεις της πεπτιδικής αλυσίδας του ενζύμου.

Μέχρι σήμερα έχει μελετηθεί διεξοδικά ο μηχανισμός δράσης μεγάλου αριθμού ενζύμων και έχει προσδιοριστεί η δομή πολλών πρωτεϊνών.

Το 1953, ο F. Sanger καθιέρωσε την αλληλουχία αμινοξέων της ινσουλίνης. : Αυτή η πρωτεΐνη αποτελείται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες που συνδέονται με δύο σταυροδεσμούς δισουλφιδίου. Η μία από τις αλυσίδες περιέχει μόνο 21 υπολείμματα αμινοξέων, ενώ η άλλη περιέχει 30 υπολείμματα. Ο Sanger πέρασε περίπου 10 χρόνια αποκρυπτογραφώντας τη δομή αυτής της σχετικά απλής πρωτεΐνης. Το 1958 τιμήθηκε με το Νόμπελ για αυτή την εξαιρετική έρευνα. Μετά τη δημιουργία από τους V. Stein και S. Moore (1957) ενός αυτόματου αναλυτή αμινοξέων, η αναγνώριση προϊόντων μερικής υδρόλυσης πρωτεϊνών επιταχύνθηκε σημαντικά. Το 1960, ο Stein και ο Moore το ανέφεραν ήδη. ότι ήταν σε θέση να προσδιορίσουν την αλληλουχία της ριβονουκλεάσης, η πεπτιδική αλυσίδα της οποίας αντιπροσωπεύεται από 124 υπολείμματα αμινοξέων. Την ίδια χρονιά, στο εργαστήριο του G. Schramm στο Tübingen (Γερμανία), ο F. Anderer και άλλοι προσδιόρισαν την αλληλουχία αμινοξέων στην πρωτεΐνη TMV. Στη συνέχεια προσδιορίστηκε η αλληλουχία αμινοξέων σε μυοσφαιρίνη (A. Edmunson) και α- και β-αλυσίδες ανθρώπινης αιμοσφαιρίνης (G. Braunitzer, E. Schroeder, κ.λπ.), λυσοζύμη από πρωτεΐνη αυγού (J. Jollet, D. Keyfield) . Το 1963, οι F. Shorm και B. Keil (Τσεχοσλοβακία) καθιέρωσαν την αλληλουχία αμινοξέων στο μόριο χυμοθρυψινογόνου. Το ίδιο έτος, προσδιορίστηκε η αλληλουχία αμινοξέων του τρυψινογόνου (F. Shorm, D. Walsh). Το 1965, ο K. Takahashi καθιέρωσε την πρωτογενή δομή της ριβονουκλεάσης Τ1. Στη συνέχεια προσδιορίστηκε η αλληλουχία αμινοξέων για αρκετές ακόμη πρωτεΐνες.

Όπως είναι γνωστό, η τελική απόδειξη της ορθότητας του ορισμού μιας συγκεκριμένης δομής είναι η σύνθεσή της. Το 1969, ο R. Merifield (ΗΠΑ) ήταν ο πρώτος που πραγματοποίησε τη χημική σύνθεση της παγκρεατικής ριβονουκλεάσης. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο σύνθεσης που ανέπτυξε σε φορέα στερεάς φάσης, ο Merifield πρόσθεσε το ένα αμινοξύ μετά το άλλο στην αλυσίδα σύμφωνα με την αλληλουχία που περιέγραψαν οι Stein και Moore. Ως αποτέλεσμα, έλαβε μια πρωτεΐνη που ήταν πανομοιότυπη στις ιδιότητές της με την παγκρεατική ριβονουκλεάση Α. Για την ανακάλυψη της δομής της ριβονουκλεάσης, οι V. Stein, S. Moore και K. Anfinsen τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1972. Αυτή η φυσική σύνθεση πρωτεϊνών ανοίγει τεράστιες προοπτικές, υποδεικνύοντας τη δυνατότητα δημιουργίας οποιωνδήποτε πρωτεϊνών σύμφωνα με μια προσχεδιασμένη ακολουθία.

Από μελέτες ακτίνων Χ από τον W. Astbury (1933) προέκυψε ότι οι πεπτιδικές αλυσίδες των μορίων πρωτεΐνης συστρέφονται ή στοιβάζονται με κάποιον αυστηρά καθορισμένο τρόπο. Από τότε, πολλοί συγγραφείς έχουν εκφράσει διάφορες υποθέσεις σχετικά με τους τρόπους με τους οποίους αναδιπλώνονται οι πρωτεϊνικές αλυσίδες, αλλά μέχρι το 1951, όλα τα μοντέλα παρέμεναν εικασιακές κατασκευές που δεν αντιστοιχούσαν σε πειραματικά δεδομένα. Το 1951, οι L. Pauling και R. Corey δημοσίευσαν μια σειρά από λαμπρά έργα στα οποία διατυπώθηκε τελικά η θεωρία της δευτερογενούς δομής των πρωτεϊνών, η θεωρία της α-έλικας. Μαζί με αυτό, έγινε επίσης γνωστό ότι οι πρωτεΐνες έχουν επίσης μια τριτοταγή δομή: η α-έλικα της πεπτιδικής αλυσίδας μπορεί να διπλωθεί με συγκεκριμένο τρόπο, σχηματίζοντας μια μάλλον συμπαγή δομή.

Το 1957, ο J. Kendrew και οι συνεργάτες του πρότειναν για πρώτη φορά ένα τρισδιάστατο μοντέλο της δομής της μυοσφαιρίνης. Αυτό το μοντέλο στη συνέχεια βελτιώθηκε για αρκετά χρόνια, μέχρι που εμφανίστηκε το τελικό έργο το 1961 με έναν χαρακτηρισμό της χωρικής δομής αυτής της πρωτεΐνης. Το 1959, ο M. Perutz και οι συνεργάτες του καθιέρωσαν την τρισδιάστατη δομή της αιμοσφαιρίνης. Οι ερευνητές πέρασαν περισσότερα από 20 χρόνια σε αυτήν την εργασία (οι πρώτες ακτινογραφίες αιμοσφαιρίνης ελήφθησαν από τον Perutz το 1937). Δεδομένου ότι το μόριο της αιμοσφαιρίνης αποτελείται από τέσσερις υπομονάδες, έχοντας αποκρυπτογραφήσει την οργάνωσή του, ο Perutz περιέγραψε έτσι για πρώτη φορά την τεταρτοταγή δομή της πρωτεΐνης. Για την εργασία τους στον προσδιορισμό της τρισδιάστατης δομής των πρωτεϊνών, οι Kendrew και Perutz τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ το 1962.

Η δημιουργία ενός χωρικού μοντέλου της δομής της αιμοσφαιρίνης από τον Perutz ΕΠΙΤΡΕΠΕΤΑΙ. να έρθουμε πιο κοντά στην κατανόηση του μηχανισμού λειτουργίας αυτής της πρωτεΐνης, η οποία, όπως είναι γνωστό, πραγματοποιεί μεταφορά οξυγόνου στα ζωικά κύτταρα. Πίσω στο 1937, ο F. Gaurowitz κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η αλληλεπίδραση της αιμοσφαιρίνης με το οξυγόνο, τον αέρα πρέπει να συνοδεύεται από μια αλλαγή στη δομή της πρωτεΐνης. Στη δεκαετία του 1960, ο Perutz και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν μια αξιοσημείωτη αλλαγή στις αλυσίδες της αιμοσφαιρίνης μετά την οξείδωσή της, που προκλήθηκε από τη μετατόπιση των ατόμων σιδήρου ως αποτέλεσμα της δέσμευσης με το οξυγόνο. Σε αυτή τη βάση, σχηματίστηκαν ιδέες για την «αναπνοή» των μακρομορίων πρωτεΐνης.

Το 1960, ο D. Phillips και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν μελέτες περίθλασης ακτίνων Χ του μορίου της λυσοζύμης. Μέχρι το 1967, ήταν λίγο πολύ σε θέση να καθορίσουν τις λεπτομέρειες της οργάνωσης αυτής της πρωτεΐνης και τον εντοπισμό μεμονωμένων ατόμων στο μόριό της. Επιπλέον, ο Phillips ανακάλυψε τη φύση της προσθήκης λυσοζύμης στο υπόστρωμα (τριακετυλογλυκοζαμίνη). Αυτό κατέστησε δυνατή την αναδημιουργία του μηχανισμού αυτού του ενζύμου. Έτσι, η γνώση της πρωτογενούς δομής και της μακρομοριακής οργάνωσης κατέστησε δυνατή όχι μόνο τον καθορισμό της φύσης των ενεργών κέντρων πολλών ενζύμων, αλλά και την πλήρη αποκάλυψη του μηχανισμού λειτουργίας αυτών των μακρομορίων.

Η χρήση μεθόδων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας βοήθησε να αποκαλυφθούν οι αρχές της μακρομοριακής οργάνωσης τέτοιων πολύπλοκων πρωτεϊνικών σχηματισμών όπως το κολλαγόνο, το ινωδογόνο, τα συσταλτικά μυϊκά ινίδια κ.λπ. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, προτάθηκαν μοντέλα της μυϊκής συσταλτικής συσκευής. Εξαιρετικής σημασίας για την κατανόηση του μηχανισμού της μυϊκής συστολής ήταν η ανακάλυψη από τους V. A. Engelgardt και M. N. Lyubimova (1939) της δραστηριότητας της ΑΤΡάσης της μυοσίνης. Αυτό σήμαινε ότι η πράξη της μυϊκής συστολής βασίζεται σε μια αλλαγή στις φυσικοχημικές ιδιότητες και στη μακρομοριακή οργάνωση της συσταλτικής πρωτεΐνης υπό την επίδραση του τριφωσφορικού οξέος αδενοσίνης (βλ. επίσης Κεφάλαιο 11).

Η ιολογική έρευνα ήταν απαραίτητη για την κατανόηση των αρχών της συναρμολόγησης βιολογικών δομών (βλ. Κεφάλαιο 25).

Άλυτα ζητήματα

Οι κύριες εξελίξεις στη σύγχρονη μοριακή βιολογία έχουν επιτευχθεί κυρίως ως αποτέλεσμα της μελέτης των νουκλεϊκών οξέων. Ωστόσο, ακόμη και σε αυτόν τον τομέα δεν έχουν επιλυθεί όλα τα προβλήματα. Θα απαιτηθούν μεγάλες προσπάθειες, ιδιαίτερα, για την αποκρυπτογράφηση ολόκληρης της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας του γονιδιώματος. Αυτό το πρόβλημα, με τη σειρά του, είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με το πρόβλημα της ετερογένειας του DNA και απαιτεί την ανάπτυξη νέων προηγμένων μεθόδων κλασματοποίησης και απομόνωσης μεμονωμένων μορίων από το συνολικό γενετικό υλικό του κυττάρου.

Μέχρι τώρα, οι προσπάθειες επικεντρώνονταν κυρίως στη χωριστή μελέτη πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων. Στο κύτταρο, αυτά τα βιοπολυμερή είναι άρρηκτα συνδεδεμένα μεταξύ τους και λειτουργούν κυρίως με τη μορφή νουκλεοπρωτεϊνών. Ως εκ τούτου, η ανάγκη μελέτης της αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων έχει γίνει πλέον ιδιαίτερα έντονη. Το πρόβλημα της αναγνώρισης ορισμένων τμημάτων νουκλεϊκών οξέων από πρωτεΐνες τίθεται στο προσκήνιο. Έχουν ήδη περιγραφεί βήματα προς τη μελέτη μιας τέτοιας αλληλεπίδρασης αυτών των βιοπολυμερών, χωρίς την οποία είναι αδιανόητη η πλήρης κατανόηση της δομής και των λειτουργιών των χρωμοσωμάτων, των ριβοσωμάτων και άλλων δομών. Χωρίς αυτό, είναι επίσης αδύνατο να κατανοήσουμε τη ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας και τελικά να αποκρυπτογραφήσουμε τις αρχές του έργου των μηχανισμών πρωτεϊνοσύνθεσης. Μετά την εργασία των Jacob και Monod, εμφανίστηκαν ορισμένα νέα δεδομένα σχετικά με τη ρυθμιστική σημασία των μεμβρανών στη σύνθεση πυρηνικού υλικού. Αυτό θέτει το πρόβλημα μιας βαθύτερης μελέτης του ρόλου των μεμβρανών στη ρύθμιση της αντιγραφής του DNA. Γενικά, το πρόβλημα της ρύθμισης της γονιδιακής δραστηριότητας και της κυτταρικής δραστηριότητας γενικότερα έχει γίνει ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της σύγχρονης μοριακής βιολογίας.

Η τρέχουσα κατάσταση της βιοφυσικής

Σε στενή σύνδεση με τα προβλήματα της μοριακής βιολογίας, προχώρησε η ανάπτυξη της βιοφυσικής. Το ενδιαφέρον για αυτόν τον τομέα της βιολογίας υποκινήθηκε, αφενός, από την ανάγκη για μια ολοκληρωμένη μελέτη της επίδρασης διαφόρων τύπων ακτινοβολίας στο σώμα και, αφετέρου, από την ανάγκη μελέτης της φυσικής και φυσικοχημικά θεμέλια των φαινομένων ζωής που συμβαίνουν σε μοριακό επίπεδο.

Η απόκτηση ακριβών πληροφοριών σχετικά με τις μοριακές δομές και τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτές κατέστη δυνατή ως αποτέλεσμα της χρήσης νέων λεπτών φυσικών και χημικών μεθόδων. Με βάση τα επιτεύγματα της ηλεκτροχημείας, κατέστη δυνατό να βελτιωθεί η μέθοδος μέτρησης των βιοηλεκτρικών δυναμικών με τη χρήση ηλεκτροδίων επιλεκτικών ιόντων (G. Eisenman, B.P. Nikolsky, Khuri, 50-60s). Όλο και περισσότερο, η υπέρυθρη φασματοσκοπία (με τη χρήση συσκευών λέιζερ) μπαίνει στην πράξη, η οποία καθιστά δυνατή τη μελέτη των διαμορφωτικών αλλαγών στις πρωτεΐνες (I. Plotnikov, 1940). Πολύτιμες πληροφορίες παρέχονται επίσης από τη μέθοδο του παραμαγνητικού συντονισμού ηλεκτρονίων (E. K. Zavoisky, 1944) και τη μέθοδο βιοχημικής φωταύγειας (B. N. Tarusov et al., 1960), που καθιστούν δυνατή, ειδικότερα, την αξιολόγηση της μεταφοράς ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια οξειδωτικών διεργασιών.

Μέχρι τη δεκαετία του 1950, η βιοφυσική κέρδιζε ήδη μια ισχυρή θέση. Υπάρχει ανάγκη κατάρτισης ειδικευμένων ειδικών. Εάν το 1911 στην Ευρώπη μόνο το Πανεπιστήμιο του Pécs, στην Ουγγαρία, είχε έδρα βιοφυσικής, τότε μέχρι το 1973 τέτοιες έδρες υπάρχουν σχεδόν σε όλα τα μεγάλα πανεπιστήμια.

Το 1960 οργανώθηκε η Διεθνής Εταιρεία Βιοφυσικών. Τον Αύγουστο του 1961 πραγματοποιήθηκε το πρώτο Διεθνές Συνέδριο Βιοφυσικής στη Στοκχόλμη. Το δεύτερο συνέδριο πραγματοποιήθηκε το 1965 στο Παρίσι, το τρίτο - το 1969 στη Βοστώνη, το τέταρτο - το 1972 στη Μόσχα.

Στη βιοφυσική, υπάρχει σαφής διάκριση μεταξύ δύο τομέων διαφορετικού περιεχομένου - της μοριακής βιοφυσικής και της κυτταρικής βιοφυσικής. Αυτή η διάκριση λαμβάνει και μια οργανωτική έκφραση: δημιουργούνται ξεχωριστά τμήματα αυτών των δύο τομέων της βιοφυσικής. Στο Πανεπιστήμιο της Μόσχας, το πρώτο τμήμα βιοφυσικής δημιουργήθηκε το 1953 στη Σχολή Βιολογίας και Εδαφολογίας και λίγο αργότερα εμφανίστηκε το Τμήμα Βιοφυσικής στη Σχολή Φυσικής. Με την ίδια αρχή οργανώθηκαν τμήματα σε πολλά άλλα πανεπιστήμια.

Μοριακή βιοφυσική

Τα τελευταία χρόνια, η σύνδεση μεταξύ της μοριακής βιοφυσικής και της μοριακής βιολογίας ενισχύεται ολοένα και περισσότερο, και μερικές φορές είναι δύσκολο να προσδιοριστεί πού βρίσκεται η διαχωριστική γραμμή μεταξύ τους. Σε μια γενική επίθεση στο πρόβλημα της κληρονομικής πληροφορίας, μια τέτοια συνεργασία μεταξύ της βιοφυσικής και της μοριακής βιολογίας είναι αναπόφευκτη.

Η κύρια κατεύθυνση στην ερευνητική εργασία είναι η μελέτη της φυσικής των νουκλεϊκών οξέων - DNA και RNA. Η χρήση των παραπάνω μεθόδων και κυρίως η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ συνέβαλε στην αποκρυπτογράφηση της μοριακής δομής των νουκλεϊκών οξέων. Επί του παρόντος, βρίσκεται σε εξέλιξη εντατική έρευνα για τη μελέτη της συμπεριφοράς αυτών των οξέων σε διαλύματα. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στις διαμορφωτικές μεταβάσεις «έλικας-πηνίου», οι οποίες μελετώνται με αλλαγές στο ιξώδες, τις οπτικές και ηλεκτρικές παραμέτρους. Σε σχέση με τη μελέτη των μηχανισμών μεταλλαξιογένεσης, αναπτύσσονται μελέτες για τη μελέτη της επίδρασης της ιονίζουσας ακτινοβολίας στη συμπεριφορά των νουκλεϊκών οξέων στα διαλύματα, καθώς και της επίδρασης της ακτινοβολίας στα νουκλεϊκά οξέα των ιών και των φάγων. Η επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας, ορισμένες φασματικές περιοχές της οποίας είναι γνωστό ότι απορροφώνται καλά από τα νουκλεϊκά οξέα, υποβλήθηκε σε ολοκληρωμένη ανάλυση. Μεγάλο μερίδιο σε αυτού του είδους την έρευνα είναι η ανίχνευση ενεργών ριζών νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών με τη μέθοδο του παραμαγνητικού συντονισμού ηλεκτρονίων. Με τη χρήση αυτής της μεθόδου, συνδέεται η εμφάνιση μιας ολόκληρης ανεξάρτητης κατεύθυνσης.

Το πρόβλημα της κωδικοποίησης των πληροφοριών DNA και RNA και της μετάδοσής τους κατά τη σύνθεση πρωτεϊνών έχει από καιρό ενδιαφέρον για τη μοριακή βιοφυσική και οι φυσικοί έχουν εκφράσει επανειλημμένα ορισμένες σκέψεις για αυτό το θέμα (E. Schrödinger, G. Gamow). Η αποκρυπτογράφηση του γενετικού κώδικα προκάλεσε πολυάριθμες θεωρητικές και πειραματικές μελέτες για τη δομή της έλικας του DNA, τον μηχανισμό ολίσθησης και συστροφής των νημάτων της και τη μελέτη των φυσικών δυνάμεων που εμπλέκονται σε αυτές τις διαδικασίες.

Η μοριακή βιοφυσική παρέχει σημαντική βοήθεια στη μοριακή βιολογία στη μελέτη της δομής των μορίων πρωτεΐνης με τη βοήθεια της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ, η οποία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1930 από τον J. Bernal. Ως αποτέλεσμα της χρήσης φυσικών μεθόδων σε συνδυασμό με βιοχημικές (ενζυματικές μεθόδους) αποκαλύφθηκε η μοριακή διαμόρφωση και η αλληλουχία των αμινοξέων σε έναν αριθμό πρωτεϊνών.

Σύγχρονες ηλεκτρονικές μικροσκοπικές μελέτες, οι οποίες αποκάλυψαν την παρουσία πολύπλοκων μεμβρανικών συστημάτων στα κύτταρα και στα οργανίδια τους, διέγειραν προσπάθειες κατανόησης της μοριακής τους δομής (βλ. Κεφάλαια 10 και 11). Η χημική σύσταση των μεμβρανών και, ειδικότερα, οι ιδιότητες των λιπιδίων τους μελετώνται in vivo. Βρέθηκε ότι οι τελευταίες είναι ικανές για υπεροξείδωση και μη ενζυματικές αντιδράσεις αλυσιδωτής οξείδωσης (Yu. A. Vladimirov and F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov et al., 1960; I. I. Ivanov, 1967), οδηγώντας σε δυσλειτουργία της μεμβράνης. Για τη μελέτη της σύνθεσης των μεμβρανών άρχισαν να χρησιμοποιούνται και μέθοδοι μαθηματικής μοντελοποίησης (V. Ts. Presman, 1964 - 1968; M. M. Shemyakin, 1967; Yu. A. Ovchinnikov, 1972).

Κυτταρική βιοφυσική

Ένα σημαντικό γεγονός στην ιστορία της βιοφυσικής ήταν ο σχηματισμός στη δεκαετία του '50 σαφών ιδεών για τη θερμοδυναμική των βιολογικών διεργασιών, ως αποτέλεσμα των οποίων οι υποθέσεις σχετικά με τη δυνατότητα ανεξάρτητης παραγωγής ενέργειας σε ζωντανά κύτταρα, σε αντίθεση με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, τελικά εξαφανίστηκε. Η κατανόηση της λειτουργίας αυτού του νόμου σε βιολογικά συστήματα συνδέεται με την εισαγωγή από τον Βέλγο επιστήμονα I. Prigogine (1945) * στη βιολογική θερμοδυναμική της έννοιας των ανοιχτών συστημάτων που ανταλλάσσουν ενέργεια και ύλη με το εξωτερικό περιβάλλον. Ο Prigogine έδειξε ότι η θετική εντροπία σχηματίζεται στα ζωντανά κύτταρα κατά τη διάρκεια των εργασιακών διεργασιών σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Οι εξισώσεις που εισήγαγε καθόρισαν τις συνθήκες υπό τις οποίες προκύπτει η λεγόμενη στατική κατάσταση (προηγουμένως ονομαζόταν επίσης δυναμική ισορροπία), στην οποία η ποσότητα της ελεύθερης ενέργειας (negentropy) που εισέρχεται στα κύτταρα με την τροφή αντισταθμίζει την κατανάλωσή της και η θετική εντροπία είναι παραγωγή. Αυτή η ανακάλυψη ενίσχυσε τη γενική βιολογική ιδέα της αδιάσπαστης σύνδεσης μεταξύ του εξωτερικού και του εσωτερικού περιβάλλοντος των κυττάρων. Σηματοδότησε την αρχή μιας πραγματικής μελέτης της θερμοδυναμικής των ζωντανών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένης της μεθόδου μοντελοποίησης (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (Η γενική θεωρία των ανοιχτών συστημάτων παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από τον L. Bertalanffy το 1932.)

Σύμφωνα με τη βασική αρχή της βιοθερμοδυναμικής, απαραίτητη προϋπόθεσηΗ ύπαρξη ζωής αποδεικνύεται στασιμότητα στην ανάπτυξη των βιοχημικών διεργασιών της, για την εφαρμογή των οποίων είναι απαραίτητος ο συντονισμός των ρυθμών πολλών μεταβολικών αντιδράσεων. Με βάση τη νέα βιοφυσική θερμοδυναμική, έχει προκύψει μια τάση που ξεχωρίζει εξωτερικούς και εσωτερικούς παράγοντες που διασφαλίζουν αυτόν τον συντονισμό των αντιδράσεων και τον καθιστούν σταθερό. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχει αποκαλυφθεί μεγάλος ρόλος στη διατήρηση της στάσιμης κατάστασης του συστήματος των αναστολέων και ιδιαίτερα των αντιοξειδωτικών (B. N. Tarusov and A. I. Zhuravlev, 1954, 1958). Έχει διαπιστωθεί ότι η αξιοπιστία της στατικής ανάπτυξης σχετίζεται με περιβαλλοντικούς παράγοντες (θερμοκρασία) και τις φυσικοχημικές ιδιότητες του κυτταρικού περιβάλλοντος.

Οι σύγχρονες αρχές της βιοθερμοδυναμικής επέτρεψαν να δοθεί μια φυσικοχημική ερμηνεία του μηχανισμού προσαρμογής. Σύμφωνα με τα δεδομένα μας, η προσαρμογή στις περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί να συμβεί μόνο εάν, όταν αλλάζουν, το σώμα είναι σε θέση να δημιουργήσει σταθερότητα στην ανάπτυξη βιοχημικών αντιδράσεων (B.N. Tarusov, 1974). Προέκυψε το ζήτημα της ανάπτυξης νέων μεθόδων που θα επέτρεπαν την αξιολόγηση της στάσιμης κατάστασης in vivo και την πρόβλεψη των πιθανών παραβιάσεων της. Η εισαγωγή των κυβερνητικών αρχών των αυτορυθμιζόμενων συστημάτων στη βιοθερμοδυναμική και η έρευνα στις διαδικασίες βιολογικής προσαρμογής υπόσχονται μεγάλα οφέλη. Έγινε σαφές ότι για να λυθεί το πρόβλημα της σταθερότητας της σταθερής κατάστασης, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη οι λεγόμενοι διαταρακτικοί παράγοντες, οι οποίοι περιλαμβάνουν, ειδικότερα, μη ενζυματικές αντιδράσεις οξείδωσης λιπιδίων. ΣΤΟ πρόσφατους χρόνουςΗ έρευνα σχετικά με τις διαδικασίες υπεροξείδωσης στις λιπιδικές φάσεις των ζωντανών κυττάρων και την ανάπτυξη ενεργών ριζικών προϊόντων που διαταράσσουν τις ρυθμιστικές λειτουργίες των μεμβρανών επεκτείνονται όλο και περισσότερο. Η πηγή πληροφοριών σχετικά με αυτές τις διεργασίες είναι τόσο η ανίχνευση ενεργών ριζών υπεροξειδίου όσο και ενώσεων υπεροξειδίου των βιολιπιδίων (A. Tappel, 1965· I. I. Ivanov, 1965· E. B. Burlakova, 1967 και άλλοι). Για την ανίχνευση ριζών, χρησιμοποιείται βιοχημική φωταύγεια, η οποία εμφανίζεται στα λιπίδια των ζωντανών κυττάρων κατά τον ανασυνδυασμό τους.

Με βάση τις φυσικοχημικές ιδέες για τη σταθερότητα της σταθερής κατάστασης, προέκυψαν βιοφυσικές ιδέες για την προσαρμογή των φυτών στις αλλαγές των περιβαλλοντικών συνθηκών ως παραβίαση των ανασταλτικών αντιοξειδωτικών συστημάτων (B. N. Tarusov, Ya. E. Doskoch, B. M. Kitlaev, A. M. Agaverdiev , 1968 - 1972). Αυτό άνοιξε τη δυνατότητα αξιολόγησης ιδιοτήτων όπως η αντοχή στον παγετό και η ανοχή στο αλάτι, καθώς και η πραγματοποίηση κατάλληλων προβλέψεων στην επιλογή των γεωργικών φυτών.

Στη δεκαετία του 1950, ανακαλύφθηκε μια εξαιρετικά αδύναμη λάμψη - βιοχημεοφωταύγεια ορισμένων βιολογικών αντικειμένων στα ορατά και υπέρυθρα μέρη του φάσματος (B. N. Tarusov, A. I. Zhuravlev, A. I. Polivoda). Αυτό κατέστη δυνατό ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης μεθόδων για την καταγραφή υπερασθενών ροών φωτός χρησιμοποιώντας φωτοπολλαπλασιαστές (L. A. Kubetsky, 1934). Ως αποτέλεσμα βιοχημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε ένα ζωντανό κύτταρο, η βιοχημική φωταύγεια καθιστά δυνατή την αξιολόγηση σημαντικών οξειδωτικών διεργασιών στις αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων μεταξύ των ενζύμων. Η ανακάλυψη και η μελέτη της βιοχημικής φωταύγειας έχει μεγάλη θεωρητική και πρακτική σημασία. Έτσι, οι B. N. Tarusov και Yu. B. Kudryashov σημειώνουν τον μεγάλο ρόλο των προϊόντων της οξείδωσης των ακόρεστων λιπαρών οξέων στον μηχανισμό εμφάνισης παθολογικών καταστάσεων που αναπτύσσονται υπό την επίδραση της ιονίζουσας ακτινοβολίας, στην καρκινογένεση και άλλες παραβιάσεις των φυσιολογικών κυτταρικών λειτουργιών .

Στη δεκαετία του 1950, λόγω της ραγδαίας ανάπτυξης πυρηνική φυσικήΗ ραδιοβιολογία, η οποία μελετά τη βιολογική επίδραση της ιονίζουσας ακτινοβολίας, προέκυψε από τη βιοφυσική. Η παραγωγή τεχνητών ραδιενεργών ισοτόπων, η δημιουργία θερμοπυρηνικών όπλων, ατομικών αντιδραστήρων και η ανάπτυξη άλλων μορφών πρακτικής χρήσης της ατομικής ενέργειας έχουν θέσει με όλη τους την οξύτητα το πρόβλημα της προστασίας των οργανισμών από τις βλαβερές συνέπειες της ιονίζουσας ακτινοβολίας και την ανάπτυξη της θεωρητικές βάσεις για την πρόληψη και τη θεραπεία της ακτινοβολίας. Για να γίνει αυτό, ήταν απαραίτητο πρώτα απ 'όλα να μάθουμε ποια συστατικά του κυττάρου και οι σύνδεσμοι του μεταβολισμού είναι τα πιο ευάλωτα.

Αντικείμενο μελέτης στη βιοφυσική και τη ραδιοβιολογία ήταν η αποσαφήνιση της φύσης των πρωτογενών χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε ζωντανά υποστρώματα υπό την επίδραση της ενέργειας της ακτινοβολίας. Εδώ ήταν σημαντικό όχι μόνο να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς αυτού του φαινομένου, αλλά και να μπορέσουμε να επηρεάσουμε τη διαδικασία ανταλλαγής φυσικής ενέργειας με χημική ενέργεια, να μειώσουμε τον συντελεστή «χρήσιμης» δράσης της. Η εργασία προς αυτή την κατεύθυνση ξεκίνησε από τις σπουδές της σχολής του N. N. Semenov (1933) στην ΕΣΣΔ και του D. Hinshelwood (1935) στην Αγγλία.

Σημαντική θέση στη ραδιοβιολογική έρευνα κατέλαβε η μελέτη του βαθμού αντοχής στην ακτινοβολία διαφόρων οργανισμών. Διαπιστώθηκε ότι η αυξημένη ραδιοαντίσταση (για παράδειγμα, σε τρωκτικά της ερήμου) οφείλεται στην υψηλή αντιοξειδωτική δράση των λιπιδίων της κυτταρικής μεμβράνης (M. Chang et al., 1964; N. K. Ogryzov et al., 1969). Αποδείχθηκε ότι οι τοκοφερόλες, η βιταμίνη Κ και οι θειοενώσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των αντιοξειδωτικών ιδιοτήτων αυτών των συστημάτων (II Ivanov et al., 1972). Τα τελευταία χρόνια, οι μελέτες των μηχανισμών μεταλλαξιογένεσης έχουν επίσης προσελκύσει μεγάλη προσοχή. Για το σκοπό αυτό μελετάται η επίδραση της ιονίζουσας ακτινοβολίας στη συμπεριφορά νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών in vitro, καθώς και σε ιούς και φάγους (A. Gustafson, 1945 - 1950).

Ο αγώνας για περαιτέρω αύξηση της αποτελεσματικότητας της χημικής προστασίας, η αναζήτηση πιο αποτελεσματικών αναστολέων και οι αρχές της αναστολής παραμένουν τα κύρια καθήκοντα της βιοφυσικής προς αυτή την κατεύθυνση.

Έχει σημειωθεί πρόοδος στη μελέτη διεγερμένων καταστάσεων βιοπολυμερών, που καθορίζουν την υψηλή χημική τους δράση. Η πιο επιτυχημένη ήταν η μελέτη των διεγερμένων καταστάσεων που προέκυψαν στο αρχικό στάδιο των φωτοβιολογικών διεργασιών - φωτοσύνθεση και όραση.

Έτσι, έχει γίνει μια σταθερή συμβολή στην κατανόηση της πρωτογενούς ενεργοποίησης των μορίων των φυτικών συστημάτων χρωστικής. Έχει διαπιστωθεί η μεγάλη σημασία της μεταφοράς (μετανάστευσης) της ενέργειας διεγερμένων καταστάσεων χωρίς απώλειες από ενεργοποιημένες χρωστικές σε άλλα υποστρώματα. Σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη αυτών των ιδεών έπαιξε ο θεωρητική εργασία A. N. Terenina (1947 και αργότερα). Ο A. A. Krasnovsky (1949) ανακάλυψε και μελέτησε την αντίδραση της αναστρέψιμης φωτοχημικής αναγωγής της χλωροφύλλης και των αναλόγων της. Υπάρχει πλέον μια γενική πεποίθηση ότι στο εγγύς μέλλον θα είναι δυνατή η αναπαραγωγή της φωτοσύνθεσης υπό τεχνητές συνθήκες (βλ. επίσης Κεφάλαιο 5).

Οι βιοφυσικοί συνεχίζουν να εργάζονται για την αποκάλυψη της φύσης της μυϊκής συστολής και των μηχανισμών διέγερσης και αγωγιμότητας των νεύρων (βλ. Κεφάλαιο 11). Η έρευνα σχετικά με τους μηχανισμούς της μετάβασης από μια κατάσταση διεγερμένης σε μια κανονική κατάσταση έχει επίσης αποκτήσει τρέχουσα σημασία. Η διεγερμένη κατάσταση θεωρείται πλέον ως αποτέλεσμα μιας αυτοκαταλυτικής αντίδρασης και η αναστολή θεωρείται ως συνέπεια μιας απότομης κινητοποίησης της ανασταλτικής αντιοξειδωτικής δραστηριότητας ως αποτέλεσμα μοριακών αναδιατάξεων σε ενώσεις όπως η τοκοφερόλη (I.I. Ivanov, O.R. Kols, 1966; O.R. Kols, 1970).

Το σημαντικότερο γενικό πρόβλημα της βιοφυσικής παραμένει η γνώση των ποιοτικών φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών της ζωντανής ύλης. Ιδιότητες όπως η ικανότητα των ζωντανών βιοπολυμερών να δεσμεύουν επιλεκτικά το κάλιο ή να πολώνουν το ηλεκτρικό ρεύμα δεν μπορούν να διατηρηθούν ακόμη και με την πιο προσεκτική απομάκρυνση από το σώμα. Ως εκ τούτου, η κυτταρική βιοφυσική συνεχίζει να αναπτύσσει εντατικά κριτήρια και μεθόδους για τη διά βίου μελέτη της ζωντανής ύλης.

Παρά τη νεολαία της μοριακής βιολογίας, η πρόοδος που έχει σημειώσει σε αυτόν τον τομέα είναι πραγματικά εκπληκτική. Για σχετικά βραχυπρόθεσμαΗ φύση του γονιδίου και οι βασικές αρχές οργάνωσης, αναπαραγωγής και λειτουργίας του έχουν καθοριστεί. Επιπλέον, όχι μόνο έχει πραγματοποιηθεί in vitro αναπαραγωγή γονιδίων, αλλά και για πρώτη φορά ολοκληρώθηκε η πλήρης σύνθεση του ίδιου του γονιδίου. Ο γενετικός κώδικας έχει πλήρως αποκρυπτογραφηθεί και το σημαντικότερο βιολογικό πρόβλημα της ειδικότητας της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών έχει επιλυθεί. Οι κύριοι τρόποι και μηχανισμοί σχηματισμού πρωτεΐνης στο κύτταρο έχουν εντοπιστεί και μελετηθεί. Η πρωταρχική δομή πολλών RNA μεταφοράς, ειδικών μορίων προσαρμογής που μεταφράζουν τη γλώσσα των νουκλεϊκών προτύπων στη γλώσσα της αλληλουχίας αμινοξέων της συντιθέμενης πρωτεΐνης, έχει πλήρως προσδιοριστεί. Η αλληλουχία αμινοξέων πολλών πρωτεϊνών έχει αποκρυπτογραφηθεί πλήρως και η χωρική δομή ορισμένων από αυτές έχει τεκμηριωθεί. Αυτό κατέστησε δυνατή την αποσαφήνιση της αρχής και των λεπτομερειών της λειτουργίας των μορίων του ενζύμου. Πραγματοποιήθηκε η χημική σύνθεση ενός από τα ένζυμα, της ριβονουκλεάσης. Έχουν εδραιωθεί οι βασικές αρχές της οργάνωσης των διαφόρων υποκυτταρικών σωματιδίων, πολλών ιών και φάγων και έχουν αποκαλυφθεί οι κύριοι τρόποι βιογένεσής τους στο κύτταρο. Έχουν ανακαλυφθεί προσεγγίσεις για την κατανόηση των τρόπων ρύθμισης της γονιδιακής δραστηριότητας και την αποσαφήνιση των ρυθμιστικών μηχανισμών της ζωτικής δραστηριότητας. Ήδη ένας απλός κατάλογος αυτών των ανακαλύψεων δείχνει ότι το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα. σημαδεύτηκε από τεράστια πρόοδο στη βιολογία, η οποία οφείλεται κυρίως σε μια εις βάθος μελέτη της δομής και των λειτουργιών βιολογικά σημαντικών μακρομορίων - νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών.

Τα επιτεύγματα στη μοριακή βιολογία χρησιμοποιούνται ήδη στην πράξη σήμερα και φέρνουν απτά αποτελέσματα στην ιατρική, τη γεωργία και ορισμένες βιομηχανίες. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η επιστροφή αυτής της επιστήμης θα αυξάνεται καθημερινά. Ωστόσο, το κύριο αποτέλεσμα πρέπει ακόμα να θεωρηθεί ότι υπό την επίδραση των επιτυχιών της μοριακής βιολογίας, έχει ενισχυθεί η εμπιστοσύνη στην ύπαρξη απεριόριστων δυνατοτήτων στον δρόμο για την αποκάλυψη των πιο μυστικών μυστικών της ζωής.

Στο μέλλον, προφανώς, θα ανοίξουν νέοι τρόποι μελέτης της βιολογικής μορφής της κίνησης της ύλης - η βιολογία θα μετακινηθεί από το μοριακό επίπεδο στο ατομικό επίπεδο. Ωστόσο, τώρα πιθανότατα δεν υπάρχει ούτε ένας ερευνητής που θα μπορούσε να προβλέψει ρεαλιστικά την ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας ακόμη και για τα επόμενα 20 χρόνια.

31.2

Για φίλους!

Αναφορά

Η μοριακή βιολογία αναπτύχθηκε από τη βιοχημεία τον Απρίλιο του 1953. Η εμφάνισή του συνδέεται με τα ονόματα των James Watson και Francis Crick, οι οποίοι ανακάλυψαν τη δομή του μορίου του DNA. Η ανακάλυψη έγινε δυνατή μέσω της μελέτης της γενετικής, των βακτηρίων και της βιοχημείας των ιών. Το επάγγελμα του μοριακού βιολόγου δεν είναι ευρέως διαδεδομένο, αλλά σήμερα ο ρόλος του σε σύγχρονη κοινωνίαπολύ μεγάλο. Ένας μεγάλος αριθμός ασθενειών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που εκδηλώνονται σε γενετικό επίπεδο, απαιτούν από τους επιστήμονες να βρουν λύσεις σε αυτό το πρόβλημα.

Περιγραφή δραστηριότητας

Οι ιοί και τα βακτήρια μεταλλάσσονται συνεχώς, πράγμα που σημαίνει ότι τα φάρμακα δεν βοηθούν πλέον ένα άτομο και οι ασθένειες γίνονται ανυπόφορες. Το καθήκον της μοριακής βιολογίας είναι να προχωρήσει σε αυτή τη διαδικασία και να αναπτύξει μια νέα θεραπεία για ασθένειες. Οι επιστήμονες εργάζονται σύμφωνα με ένα καθιερωμένο σχέδιο: μπλοκάροντας την αιτία της νόσου, εξαλείφοντας τους μηχανισμούς κληρονομικότητας και ως εκ τούτου ανακουφίζοντας την κατάσταση του ασθενούς. Υπάρχουν πολλά κέντρα, κλινικές και νοσοκομεία σε όλο τον κόσμο όπου οι μοριακοί βιολόγοι αναπτύσσουν νέες θεραπείες για να βοηθήσουν τους ασθενείς.

Εργασιακές ευθύνες

Οι ευθύνες ενός μοριακού βιολόγου περιλαμβάνουν τη μελέτη διεργασιών μέσα στο κύτταρο (για παράδειγμα, αλλαγές στο DNA κατά την ανάπτυξη όγκων). Επίσης, οι ειδικοί μελετούν τα χαρακτηριστικά του DNA, την επίδρασή τους σε ολόκληρο τον οργανισμό και σε ένα μόνο κύτταρο. Τέτοιες μελέτες πραγματοποιούνται, για παράδειγμα, με βάση την PCR (αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης), η οποία σας επιτρέπει να αναλύσετε το σώμα για λοιμώξεις, κληρονομικές ασθένειες και να προσδιορίσετε τη βιολογική σχέση.

Χαρακτηριστικά ανάπτυξης σταδιοδρομίας

Το επάγγελμα του μοριακού βιολόγου είναι αρκετά υποσχόμενο στον τομέα του και ήδη σήμερα διεκδικεί να είναι το πρώτο στην κατάταξη των ιατρικών επαγγελμάτων του μέλλοντος. Παρεμπιπτόντως, ένας μοριακός βιολόγος δεν χρειάζεται να μένει συνεχώς σε αυτόν τον τομέα. Εάν υπάρχει επιθυμία να αλλάξει επάγγελμα, μπορεί να επανεκπαιδευτεί ως διευθυντής πωλήσεων για εργαστηριακό εξοπλισμό, να αρχίσει να αναπτύσσει όργανα για διάφορες μελέτες ή να ανοίξει τη δική του επιχείρηση.

1. Εισαγωγή.

Θέμα, εργασίες και μέθοδοι μοριακής βιολογίας και γενετικής. Σημασία της «κλασικής» γενετικής και γενετικής των μικροοργανισμών στην ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας και της γενετικής μηχανικής. Η έννοια του γονιδίου στην «κλασική» και μοριακή γενετική, η εξέλιξή του. Συμβολή της μεθοδολογίας γενετικής μηχανικής στην ανάπτυξη της μοριακής γενετικής. Εφαρμοσμένη αξία της γενετικής μηχανικής για τη βιοτεχνολογία.

2. Μοριακές βάσεις κληρονομικότητας.

Η έννοια του κυττάρου, η μακρομοριακή του σύνθεση. Η φύση του γενετικού υλικού. Ιστορικό στοιχείων για τη γενετική λειτουργία του DNA.

2.1. Διάφοροι τύποι νουκλεϊκών οξέων.Βιολογικές λειτουργίες νουκλεϊκών οξέων. Χημική δομή, χωρική δομή και φυσικές ιδιότητες νουκλεϊκών οξέων. Δομικά χαρακτηριστικά του γενετικού υλικού των προ- και ευκαρυωτών. Συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων Watson-Crick. Γενετικός κώδικας. Η ιστορία της αποκρυπτογράφησης του γενετικού κώδικα. Οι κύριες ιδιότητες του κώδικα: τριπλέτα, κωδικός χωρίς κόμμα, εκφυλισμός. Χαρακτηριστικά του λεξικού κώδικα, οικογένειες κωδικονίων, σημασιολογικά και «ανούσια» κωδικόνια. Κυκλικά μόρια DNA και η έννοια της υπερέλιξης του DNA. Τοποϊσομερή του DNA και οι τύποι τους. Μηχανισμοί δράσης τοποϊσομερασών. Βακτηριακή γυράση DNA.

2.2. Μεταγραφή DNA.Προκαρυωτική RNA πολυμεράση, η υπομονάδα της και οι τρισδιάστατες δομές της. Ποικιλία παραγόντων σίγμα. Υποκινητής προκαρυωτικού γονιδίου, τα δομικά του στοιχεία. Στάδια του μεταγραφικού κύκλου. Έναρξη, σχηματισμός «ανοικτού συμπλέγματος», επιμήκυνση και τερματισμός της μεταγραφής. εξασθένηση μεταγραφής. Ρύθμιση έκφρασης οπερονίου τρυπτοφάνης. "Διακόπτες ριβό". Μηχανισμοί τερματισμού μεταγραφής. Αρνητική και θετική ρύθμιση της μεταγραφής. οπερόνιο λακτόζης. Μεταγραφική ρύθμιση στην ανάπτυξη φάγων λάμδα. Αρχές αναγνώρισης DNA από ρυθμιστικές πρωτεΐνες (πρωτεΐνη CAP και καταστολέας φάγων λάμδα). Χαρακτηριστικά της μεταγραφής σε ευκαρυώτες. Επεξεργασία RNA σε ευκαρυώτες. Πώμα, μάτισμα και πολυαδενυλίωση μεταγραφών. μηχανισμοί συναρμογής. Ο ρόλος του μικρού πυρηνικού RNA και των πρωτεϊνικών παραγόντων. Εναλλακτικό μάτισμα, παραδείγματα.

2.3. Αναμετάδοση, τα στάδια του, η λειτουργία των ριβοσωμάτων. Θέση των ριβοσωμάτων στο κύτταρο. Προκαρυωτικοί και ευκαρυωτικοί τύποι ριβοσωμάτων. Ριβοσώματα 70S και 80S. Μορφολογία ριβοσωμάτων. Διαίρεση σε υποσωματίδια (υπομονάδες). Κωδονιοεξαρτώμενη σύνδεση του αμινοακυλο-tRNA στον κύκλο επιμήκυνσης. Αλληλεπίδραση κωδικονίου-αντικοδονίου. Συμμετοχή του παράγοντα επιμήκυνσης EF1 (EF-Tu) στη δέσμευση του αμινοακυλο-tRNA στο ριβόσωμα. Συντελεστής επιμήκυνσης EF1B (EF-Ts), λειτουργία του, αλληλουχία αντιδράσεων με τη συμμετοχή του. Αντιβιοτικά που επηρεάζουν το στάδιο της εξαρτώμενης από το κωδικόνιο δέσμευσης του αμινοακυλο-tRNA στο ριβόσωμα. Αμινογλυκοσιδικά αντιβιοτικά (στρεπτομυκίνη, νεομυκίνη, καναμυκίνη, γενταμυκίνη κ.λπ.), ο μηχανισμός δράσης τους. Οι τετρακυκλίνες ως αναστολείς της δέσμευσης αμινοακυλο-tRNA στο ριβόσωμα. Έναρξη εκπομπής. Τα κύρια στάδια της διαδικασίας έναρξης. Έναρξη μετάφρασης σε προκαρυώτες: παράγοντες έναρξης, κωδικόνια εκκίνησης, RNA 3¢-άκρο της μικρής ριβοσωμικής υπομονάδας και η αλληλουχία Shine-Dalgarno στο mRNA. Έναρξη μετάφρασης σε ευκαρυώτες: παράγοντες έναρξης, κωδικόνια εκκίνησης, αμετάφραστη περιοχή 5¢ και τερματική έναρξη εξαρτώμενη από το καπάκι. "Εσωτερική" ανεξάρτητη από το καπάκι μύηση σε ευκαρυώτες. Μεταπεπτιδοποίηση. Αναστολείς διαπεπτιδοποίησης: χλωραμφενικόλη, λινκομυκίνη, αμικετίνη, στρεπτογραμμίνες, ανισομυκίνη. Μετατόπιση. Συμμετοχή του παράγοντα επιμήκυνσης EF2 (EF-G) και GTP. Αναστολείς μετατόπισης: φουσιδικό οξύ, βιομυκίνη, οι μηχανισμοί δράσης τους. Τερματισμός μετάφρασης. Κωδόνια τερματισμού. Παράγοντες τερματισμού πρωτεΐνης προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών. δύο κατηγορίες παραγόντων τερματισμού και μηχανισμοί δράσης τους. Ρύθμιση μετάφρασης σε προκαρυώτες.

2.4. Αντιγραφή DNAκαι τον γενετικό του έλεγχο. Πολυμεράσες που εμπλέκονται στην αντιγραφή, χαρακτηριστικά των ενζυματικών τους δράσεων. Πιστότητα DNA. Ο ρόλος των στερικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ζευγών βάσεων DNA κατά την αντιγραφή. Πολυμεράσες Ε. coli I, II και III. Υπομονάδες πολυμεράσης III. Διχάλα αντιγραφής, «οδηγητικά» και «υστερούντα» νήματα κατά την αναπαραγωγή. Θραύσματα του Okazaki. Σύμπλεγμα πρωτεϊνών στο πιρούνι αντιγραφής. Ρύθμιση έναρξης αντιγραφής σε E. coli. Τερματισμός αντιγραφής σε βακτήρια. Χαρακτηριστικά της ρύθμισης της αντιγραφής του πλασμιδίου. Αντιγραφή διπλής κατεύθυνσης και κυλιόμενου δακτυλίου.

2.5. Ανασυνδυασμός, τα είδη και τα μοντέλα του. Γενικός ή ομόλογος ανασυνδυασμός. Διακοπές διπλού κλώνου στο DNA που ξεκινούν τον ανασυνδυασμό. Ο ρόλος του ανασυνδυασμού στην επισκευή μετά την αντιγραφή των θραύσεων διπλού κλώνου. Δομή διακοπών στο μοντέλο ανασυνδυασμού. Ενζυμολογία γενικού ανασυνδυασμού σε Ε. coli. Σύμπλεγμα RecBCD. Πρωτεΐνη Reca. Ο ρόλος του ανασυνδυασμού στη διασφάλιση της σύνθεσης του DNA στη βλάβη του DNA που διακόπτει την αντιγραφή. ανασυνδυασμός σε ευκαρυώτες. Ένζυμα ανασυνδυασμού σε ευκαρυώτες. Ανασυνδυασμός ειδικής τοποθεσίας. Διαφορές στους μοριακούς μηχανισμούς γενικού και τοπικού ανασυνδυασμού. Ταξινόμηση των ανασυνδυασών. Τύποι χρωμοσωμικών ανακατατάξεων που πραγματοποιήθηκαν κατά τον ανασυνδυασμό ειδικής θέσης. Ρυθμιστικός ρόλος του ανασυνδυασμού ειδικής θέσης σε βακτήρια. Κατασκευή πολυκύτταρων ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων με χρήση του συστήματος ανασυνδυασμού φάγων ειδικού για τη θέση.

2.6. Επιδιόρθωση DNA.Ταξινόμηση των ειδών αποκατάστασης. Άμεση επιδιόρθωση διμερών θυμίνης και μεθυλιωμένης γουανίνης. Κοπή βάσεων. Γλυκοσυλάσες. Ο μηχανισμός επιδιόρθωσης μη ζευγαρωμένων νουκλεοτιδίων (επισκευή ασυμφωνίας). Επιλογή του κλώνου DNA που πρόκειται να επισκευαστεί. Επισκευή SOS. Ιδιότητες των πολυμερασών DNA που εμπλέκονται στην επιδιόρθωση SOS σε προκαρυώτες και ευκαρυώτες. Η έννοια των «προσαρμοστικών μεταλλάξεων» στα βακτήρια. Επιδιόρθωση θραύσεων διπλού κλώνου: ομόλογος μετα-αντιγραφικός ανασυνδυασμός και σύνδεση μη ομόλογων άκρων του μορίου DNA. Η σχέση μεταξύ των διαδικασιών αντιγραφής, ανασυνδυασμού και αποκατάστασης.

3. Διαδικασία μετάλλαξης.

Ο ρόλος των βιοχημικών μεταλλαγμένων στο σχηματισμό της θεωρίας ενός γονιδίου - ενός ενζύμου. Ταξινόμηση μετάλλαξης. Σημειακές μεταλλάξεις και χρωμοσωμικές αναδιατάξεις, ο μηχανισμός σχηματισμού τους. Αυθόρμητη και επαγόμενη μεταλλαξιογένεση. Ταξινόμηση μεταλλαξιγόνων. Μοριακός μηχανισμός μεταλλαξιογένεσης. Σχέση μεταλλαξιογένεσης και επιδιόρθωσης. Ταυτοποίηση και επιλογή μεταλλαγμένων. Καταστολή: ενδογονιδιακή, διαγονιδιακή και φαινοτυπική.

4. Εξωχρωμοσωμικά γενετικά στοιχεία.

Πλασμίδια, δομή και ταξινόμηση τους. Ο παράγοντας φύλου F, η δομή και ο κύκλος ζωής του. Ο ρόλος του παράγοντα F στην κινητοποίηση της μεταφοράς χρωμοσωμάτων. Σχηματισμός δοτών Hfr και F Μηχανισμός σύζευξης Βακτηριοφάγοι, δομή και κύκλος ζωής τους ιώδεις και εύκρατοι βακτηριοφάγοι Λυσογένεση και μεταγωγή Γενική και ειδική μεταγωγή Μεταναστευτικά γενετικά στοιχεία: τρανσποζόνια και αλληλουχίες IS, ο ρόλος τους στο γενετικό μεταβολισμό. DNA - τρανσποζόνια στα γονιδιώματα προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών IS-αλληλουχίες βακτηρίων, η δομή τους IS-αλληλουχίες ως συστατικό του παράγοντα F των βακτηρίων, ο οποίος καθορίζει την ικανότητα μεταφοράς γενετικού υλικού κατά τη σύζευξη Τρανσποζόνια βακτηρίων και ευκαρυωτικών οργανισμών Άμεση μη αντιγραφική και αντιγραφικοί μηχανισμοί μεταθέσεων Η έννοια της οριζόντιας μεταφοράς τρανσποζονίων και ο ρόλος τους στις δομικές αναδιατάξεις (έκτοπος ανασυνδυασμός) και στην εξέλιξη του γονιδιώματος.

5. Μελέτη της δομής και της λειτουργίας του γονιδίου.

Στοιχεία γενετικής ανάλυσης. Τεστ συμπλήρωσης Cis-trans. Γενετική χαρτογράφηση με χρήση σύζευξης, μεταγωγής και μετασχηματισμού. Κατασκευή γενετικών χαρτών. Λεπτή γενετική χαρτογράφηση. Φυσική ανάλυση της γονιδιακής δομής. ετεροδιπλή ανάλυση. Ανάλυση περιορισμού. Μέθοδοι αλληλουχίας. αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης. Αποκάλυψη της λειτουργίας ενός γονιδίου.

6. Ρύθμιση γονιδιακής έκφρασης. Έννοιες του οπερονίου και του regulon. Έλεγχος σε επίπεδο έναρξης μεταγραφής. Πρωτεΐνες υποκινητή, χειριστή και ρυθμιστικές πρωτεΐνες. Θετικός και αρνητικός έλεγχος γονιδιακής έκφρασης. Έλεγχος σε επίπεδο τερματισμού μεταγραφής. Οπερόνια ελεγχόμενα από καταβολίτες: μοντέλα οπερονίων λακτόζης, γαλακτόζης, αραβινόζης και μαλτόζης. Οπερόνια ελεγχόμενα από εξασθενητή: ένα μοντέλο του οπερονίου τρυπτοφάνης. Πολυσθενής ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Παγκόσμια συστήματα ρύθμισης. Ρυθμιστική απάντηση στο στρες. μετα-μεταγραφικός έλεγχος. μεταγωγή σήματος. Ρύθμιση μέσω RNA: μικρά RNA, RNA αισθητήρων.

7. Βασικές αρχές της γενετικής μηχανικής. Ένζυμα περιορισμού και τροποποιήσεις. Απομόνωση και κλωνοποίηση γονιδίων. Φορείς για μοριακή κλωνοποίηση. Αρχές κατασκευής ανασυνδυασμένου DNA και εισαγωγή τους σε κύτταρα δέκτες. Εφαρμοσμένες πτυχές της γενετικής μηχανικής.

ένα). Κύρια βιβλιογραφία:

1. Watson J., Tooze J., Recombinant DNA: A Brief Course. – Μ.: Μιρ, 1986.

2. Γονίδια. – Μ.: Μιρ. 1987.

3. Μοριακή βιολογία: δομή και βιοσύνθεση νουκλεϊκών οξέων. / Εκδ. . - Μ. Ανώτατο σχολείο. 1990.

4., - Μοριακή βιοτεχνολογία. Μ. 2002.

5. Ριβοσώματα σπιρίνης και βιοσύνθεση πρωτεϊνών. - Μ.: μεταπτυχιακό σχολείο, 1986.

σι). Πρόσθετη βιβλιογραφία:

1. Εσίνη του γονιδιώματος. – Μ.: Επιστήμη. 1984.

2. Rybchin της γενετικής μηχανικής. - Αγία Πετρούπολη: Κρατικό Τεχνικό Πανεπιστήμιο Αγίας Πετρούπολης. 1999.

3. Γονίδια Patrushev. – Μ.: Nauka, 2000.

4. Σύγχρονη μικροβιολογία. Προκαρυώτες (σε 2 τόμους). – Μ.: Μιρ, 2005.

5. M. Singer, P. Berg. Γονίδια και γονιδιώματα. – Μ.: Μιρ, 1998.

6. Μηχανική Shchelkunov. - Νοβοσιμπίρσκ: Από το Sib. Πανεπιστήμιο, 2004.

7. Stepanov βιολογία. Δομή και λειτουργίες των πρωτεϊνών. - Μ.: V. Sh., 1996.

Κόμικ για τον διαγωνισμό "bio/mol/text": Σήμερα, ο μοριακός βιολόγος Test Tube θα σας καθοδηγήσει στον κόσμο της εκπληκτικής επιστήμης - της μοριακής βιολογίας! Θα ξεκινήσουμε με μια ιστορική εκδρομή στα στάδια της ανάπτυξής του, θα περιγράψουμε τις κύριες ανακαλύψεις και πειράματα από το 1933. Και θα περιγράψουμε επίσης με σαφήνεια τις κύριες μεθόδους της μοριακής βιολογίας, οι οποίες κατέστησαν δυνατό τον χειρισμό των γονιδίων, την αλλαγή και την απομόνωσή τους. Η εμφάνιση αυτών των μεθόδων λειτούργησε ως ισχυρή ώθηση για την ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας. Και ας θυμηθούμε επίσης τον ρόλο της βιοτεχνολογίας και ας αγγίξουμε ένα από τα πιο δημοφιλή θέματα σε αυτόν τον τομέα - την επεξεργασία γονιδιώματος με χρήση συστημάτων CRISPR/Cas.

Γενικός χορηγός του διαγωνισμού και συνεργάτης της υποψηφιότητας Skoltech είναι η .

Χορηγός του διαγωνισμού είναι η εταιρεία Diaem: ο μεγαλύτερος προμηθευτής εξοπλισμού, αντιδραστηρίων και αναλωσίμων για βιολογική έρευνακαι παραγωγές.

Η εταιρεία χρηματοδότησε το Βραβείο Επιλογής κοινού.

"Βιβλίο" χορηγός του διαγωνισμού - "Alpina non-fiction"

1. Εισαγωγή. Η ουσία της μοριακής βιολογίας

Μελετά τα βασικά της ζωτικής δραστηριότητας των οργανισμών σε επίπεδο μακρομορίων. Ο στόχος της μοριακής βιολογίας είναι να καθορίσει το ρόλο και τους μηχανισμούς λειτουργίας αυτών των μακρομορίων με βάση τη γνώση για τις δομές και τις ιδιότητές τους.

Ιστορικά, η μοριακή βιολογία διαμορφώθηκε κατά την ανάπτυξη περιοχών της βιοχημείας που μελετούν τα νουκλεϊκά οξέα και τις πρωτεΐνες. Ενώ η βιοχημεία μελετά τον μεταβολισμό, τη χημική σύνθεση των ζωντανών κυττάρων, των οργανισμών και τις χημικές διεργασίες που πραγματοποιούνται σε αυτά, η μοριακή βιολογία εστιάζει στη μελέτη των μηχανισμών μετάδοσης, αναπαραγωγής και αποθήκευσης γενετικών πληροφοριών.

Και το αντικείμενο μελέτης της μοριακής βιολογίας είναι τα ίδια τα νουκλεϊκά οξέα - δεοξυριβονουκλεϊκό (DNA), ριβονουκλεϊκό (RNA) - και πρωτεΐνες, καθώς και τα μακρομοριακά σύμπλοκά τους - χρωμοσώματα, ριβοσώματα, πολυενζυμικά συστήματα που παρέχουν τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων. Η μοριακή βιολογία συνορεύει επίσης με τα αντικείμενα μελέτης και εν μέρει συμπίπτει με τη μοριακή γενετική, την ιολογία, τη βιοχημεία και μια σειρά από άλλες σχετικές βιολογικές επιστήμες.

2. Ιστορική εκδρομή στα στάδια ανάπτυξης της μοριακής βιολογίας

Ως ξεχωριστός τομέας της βιοχημείας, η μοριακή βιολογία άρχισε να αναπτύσσεται στη δεκαετία του '30 του περασμένου αιώνα. Ακόμη και τότε, κατέστη αναγκαία η κατανόηση του φαινομένου της ζωής σε μοριακό επίπεδο, προκειμένου να μελετηθούν οι διαδικασίες μετάδοσης και αποθήκευσης γενετικής πληροφορίας. Ακριβώς εκείνη την εποχή, το έργο της μοριακής βιολογίας καθιερώθηκε στη μελέτη των ιδιοτήτων, της δομής και της αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων.

Ο όρος «μοριακή βιολογία» χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο 1933 έτος William Astbury κατά τη διάρκεια της μελέτης των ινιδιακών πρωτεϊνών (κολλαγόνο, ινώδες αίματος, συσταλτικές μυϊκές πρωτεΐνες). Ο Astbury μελέτησε τη σχέση μεταξύ της μοριακής δομής και των βιολογικών, φυσικών χαρακτηριστικών αυτών των πρωτεϊνών. Στην αρχή της εμφάνισης της μοριακής βιολογίας, το RNA θεωρήθηκε συστατικό μόνο φυτών και μυκήτων και το DNA - μόνο των ζώων. Και στο 1935 Η ανακάλυψη του DNA του μπιζελιού από τον Andrei Belozersky οδήγησε στη διαπίστωση του γεγονότος ότι το DNA περιέχεται σε κάθε ζωντανό κύτταρο.

ΣΤΟ 1940 Ένα κολοσσιαίο επίτευγμα ήταν η καθιέρωση από τους George Beadle και Edward Tatham μιας αιτιώδους σχέσης μεταξύ γονιδίων και πρωτεϊνών. Η υπόθεση των επιστημόνων «Ένα γονίδιο - ένα ένζυμο» αποτέλεσε τη βάση για την ιδέα ότι η συγκεκριμένη δομή μιας πρωτεΐνης ρυθμίζεται από γονίδια. Πιστεύεται ότι η γενετική πληροφορία κωδικοποιείται από μια ειδική αλληλουχία νουκλεοτιδίων στο DNA που ρυθμίζει την πρωτογενή δομή των πρωτεϊνών. Αργότερα αποδείχθηκε ότι πολλές πρωτεΐνες έχουν τεταρτοταγή δομή. Στο σχηματισμό τέτοιων δομών συμμετέχουν διάφορες πεπτιδικές αλυσίδες. Με βάση αυτό, η διάταξη για τη σχέση μεταξύ ενός γονιδίου και ενός ενζύμου έχει κάπως μεταμορφωθεί και τώρα ακούγεται σαν "Ένα γονίδιο - ένα πολυπεπτίδιο".

ΣΤΟ 1944 Το 1999, ο Αμερικανός βιολόγος Oswald Avery και οι συνεργάτες του (Colin McLeod και McLean McCarthy) απέδειξαν ότι η ουσία που προκαλεί τον μετασχηματισμό των βακτηρίων είναι το DNA και όχι οι πρωτεΐνες. Το πείραμα χρησίμευσε ως απόδειξη του ρόλου του DNA στη μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών, διαγράφοντας ξεπερασμένες γνώσεις σχετικά με την πρωτεϊνική φύση των γονιδίων.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, ο Frederick Sanger έδειξε ότι μια αλυσίδα πρωτεΐνης είναι μια μοναδική αλληλουχία υπολειμμάτων αμινοξέων. ΣΤΟ 1951 και 1952 χρόνια, ο επιστήμονας προσδιόρισε την πλήρη αλληλουχία δύο πολυπεπτιδικών αλυσίδων - βόεια ινσουλίνη ΣΤΟ(30 υπολείμματα αμινοξέων) και ΑΛΛΑ(21 υπολείμματα αμινοξέων), αντίστοιχα.

Την ίδια περίπου εποχή, στο 1951–1953 Ο Erwin Chargaff διατύπωσε τους κανόνες για την αναλογία των αζωτούχων βάσεων στο DNA. Σύμφωνα με τον κανόνα, ανεξάρτητα από τις διαφορές ειδών των ζωντανών οργανισμών στο DNA τους, η ποσότητα της αδενίνης (Α) είναι ίση με την ποσότητα της θυμίνης (Τ) και η ποσότητα της γουανίνης (G) είναι ίση με την ποσότητα της κυτοσίνης. (ΝΤΟ).

ΣΤΟ 1953 απέδειξε τον γενετικό ρόλο του DNA. Οι James Watson και Francis Crick, βασισμένοι στην ακτινογραφία DNA που λήφθηκαν από τους Rosalind Franklin και Maurice Wilkins, καθιέρωσαν τη χωρική δομή του DNA και διατύπωσαν μια μεταγενέστερη επιβεβαιωμένη υπόθεση σχετικά με τον μηχανισμό αντιγραφής του (διπλασιασμός), ο οποίος αποτελεί τη βάση της κληρονομικότητας.

1958 έτος - ο σχηματισμός του κεντρικού δόγματος της μοριακής βιολογίας από τον Φράνσις Κρικ: η μεταφορά της γενετικής πληροφορίας πηγαίνει προς την κατεύθυνση του DNA → RNA → πρωτεΐνης.

Η ουσία του δόγματος είναι ότι στα κύτταρα υπάρχει μια ορισμένη κατευθυνόμενη ροή πληροφοριών από το DNA, το οποίο, με τη σειρά του, είναι το αρχικό γενετικό κείμενο, που αποτελείται από τέσσερα γράμματα: A, T, G και C. Είναι γραμμένο στο DNA διπλή έλικα με τη μορφή αλληλουχιών αυτών των γραμμάτων - νουκλεοτίδια.

Αυτό το κείμενο μεταγράφεται. Και η διαδικασία λέγεται μεταγραφή. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, συντίθεται RNA, το οποίο είναι πανομοιότυπο με το γενετικό κείμενο, αλλά με μια διαφορά: στο RNA, αντί για T, υπάρχει U (ουρακίλη).

Αυτό το RNA ονομάζεται αγγελιοφόρο RNA (mRNA), ή μήτρα (mRNA). ΑναμετάδοσηΤο mRNA πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τον γενετικό κώδικα με τη μορφή τριπλής αλληλουχιών νουκλεοτιδίων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το κείμενο των νουκλεϊκών οξέων DNA και RNA μεταφράζεται από ένα κείμενο τεσσάρων γραμμάτων σε ένα κείμενο είκοσι γραμμάτων αμινοξέων.

Υπάρχουν μόνο είκοσι φυσικά αμινοξέα και υπάρχουν τέσσερα γράμματα στο κείμενο των νουκλεϊκών οξέων. Εξαιτίας αυτού, υπάρχει μια μετάφραση από το αλφάβητο των τεσσάρων γραμμάτων στο αλφάβητο των είκοσι γραμμάτων μέσω του γενετικού κώδικα, στον οποίο κάθε τρία νουκλεοτίδια αντιστοιχεί σε ένα αμινοξύ. Έτσι μπορείτε να κάνετε ολόκληρους 64 συνδυασμούς τριών γραμμάτων από τέσσερα γράμματα, επιπλέον, υπάρχουν 20 αμινοξέα. Από αυτό προκύπτει ότι ο γενετικός κώδικας πρέπει απαραίτητα να έχει την ιδιότητα του εκφυλισμού. Ωστόσο, εκείνη την εποχή ο γενετικός κώδικας δεν ήταν γνωστός, εξάλλου, δεν είχε καν αρχίσει να αποκρυπτογραφείται, αλλά ο Κρικ είχε ήδη διατυπώσει το κεντρικό του δόγμα.

Ωστόσο, υπήρχε η βεβαιότητα ότι ο κώδικας πρέπει να υπάρχει. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, είχε αποδειχθεί ότι αυτός ο κωδικός είχε τριπλό χαρακτήρα. Αυτό σημαίνει ότι συγκεκριμένα τρία γράμματα στα νουκλεϊκά οξέα ( κωδικόνια) αντιστοιχούν σε οποιοδήποτε αμινοξύ. Υπάρχουν 64 από αυτά τα κωδικόνια, κωδικοποιούν 20 αμινοξέα. Αυτό σημαίνει ότι κάθε αμινοξύ αντιστοιχεί σε πολλά κωδικόνια ταυτόχρονα.

Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το κεντρικό δόγμα είναι ένα αξίωμα που λέει ότι συμβαίνει μια κατευθυνόμενη ροή πληροφοριών στο κύτταρο: DNA → RNA → πρωτεΐνη. Ο Κρικ τόνισε το κύριο περιεχόμενο του κεντρικού δόγματος: μια αντίστροφη ροή πληροφοριών δεν μπορεί να συμβεί, μια πρωτεΐνη δεν είναι ικανή να αλλάξει τις γενετικές πληροφορίες.

Αυτή είναι η κύρια έννοια του κεντρικού δόγματος: μια πρωτεΐνη δεν είναι σε θέση να αλλάξει και να μετατρέψει τις πληροφορίες σε DNA (ή RNA), η ροή πηγαίνει πάντα μόνο προς μια κατεύθυνση.

Λίγο καιρό μετά, ανακαλύφθηκε ένα νέο ένζυμο, το οποίο δεν ήταν γνωστό τη στιγμή της διατύπωσης του κεντρικού δόγματος, - αντίστροφη μεταγραφάσηπου συνθέτει DNA από RNA. Το ένζυμο ανακαλύφθηκε σε ιούς, στους οποίους η γενετική πληροφορία κωδικοποιείται στο RNA και όχι στο DNA. Τέτοιοι ιοί ονομάζονται ρετροϊοί. Έχουν μια ιική κάψουλα με RNA που περικλείεται σε αυτήν και ένα ειδικό ένζυμο. Το ένζυμο είναι μια αντίστροφη μεταγραφάση που συνθέτει DNA σύμφωνα με το εκμαγείο αυτού του ιικού RNA και αυτό το DNA χρησιμεύει στη συνέχεια ως γενετικό υλικό για την περαιτέρω ανάπτυξη του ιού στο κύτταρο.

Φυσικά, αυτή η ανακάλυψη προκάλεσε μεγάλο σοκ και πολλές διαμάχες μεταξύ των μοριακών βιολόγων, αφού πίστευαν ότι, με βάση το κεντρικό δόγμα, αυτό δεν θα μπορούσε να είναι. Ωστόσο, ο Κρικ εξήγησε αμέσως ότι ποτέ δεν είπε ότι ήταν αδύνατο. Είπε μόνο ότι δεν μπορεί ποτέ να υπάρξει ροή πληροφοριών από πρωτεΐνη σε νουκλεϊκά οξέα, και ήδη μέσα στα νουκλεϊκά οξέα είναι πολύ πιθανές κάθε είδους διεργασίες: η σύνθεση του DNA στο DNA, του DNA στο RNA, του RNA στο DNA και του RNA στο RNA.

Μετά τη διατύπωση του κεντρικού δόγματος, μια σειρά από ερωτήματα παρέμεναν ακόμη: πώς το αλφάβητο των τεσσάρων νουκλεοτιδίων που συνθέτουν το DNA (ή το RNA) κωδικοποιεί το αλφάβητο των 20 γραμμάτων των αμινοξέων που συνθέτουν τις πρωτεΐνες; Ποια είναι η ουσία του γενετικού κώδικα;

Οι πρώτες ιδέες για την ύπαρξη του γενετικού κώδικα διατυπώθηκαν από τον Alexander Downes ( 1952 δ.) και Georgy Gamov ( 1954 ΣΟΛ.). Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον τρεις συνδέσμους. Αργότερα αποδείχθηκε ότι μια τέτοια αλληλουχία αποτελείται από τρία νουκλεοτίδια, που ονομάζονται κωδικόνιο (τρίδυμα). Ωστόσο, το ερώτημα ποια νουκλεοτίδια είναι υπεύθυνα για την ενσωμάτωση ποιου αμινοξέος σε ένα μόριο πρωτεΐνης παρέμεινε ανοιχτό μέχρι το 1961.

Και στο 1961 Ο Marshall Nirenberg, μαζί με τον Heinrich Mattei, χρησιμοποίησαν το σύστημα για να εκπέμπουν in vitro. Ως εκμαγείο χρησιμοποιήθηκε ένα ολιγονουκλεοτίδιο. Περιείχε μόνο υπολείμματα ουρακίλης και το πεπτίδιο που συντέθηκε από αυτό περιελάμβανε μόνο το αμινοξύ φαινυλαλανίνη. Έτσι, καθιερώθηκε για πρώτη φορά η έννοια του κωδικονίου: το κωδικόνιο UUU κωδικοποιεί τη φαινυλαλανίνη. Αργότερα, το Har Qur'an βρήκε ότι η αλληλουχία νουκλεοτιδίων UCUCUCUCUCUC κωδικοποιεί ένα σύνολο αμινοξέων σερίνη-λευκίνη-σερίνη-λευκίνη. Σε γενικές γραμμές, χάρη στα έργα του Nirenberg και του Κορανίου, να 1965 έτος, ο γενετικός κώδικας αποκαλύφθηκε εντελώς. Αποδείχθηκε ότι κάθε τριάδα κωδικοποιεί ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Και η σειρά των κωδικονίων καθορίζει τη σειρά των αμινοξέων στην πρωτεΐνη.

Οι κύριες αρχές της λειτουργίας των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων διατυπώθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '70. Διαπιστώθηκε ότι η σύνθεση πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων πραγματοποιείται σύμφωνα με τον μηχανισμό της μήτρας. Το μόριο του εκμαγείου φέρει κωδικοποιημένες πληροφορίες σχετικά με την αλληλουχία αμινοξέων ή νουκλεοτιδίων. Κατά τη διάρκεια της αντιγραφής ή της μεταγραφής, το πρότυπο είναι DNA και κατά τη μετάφραση και την αντίστροφη μεταγραφή, είναι mRNA.

Έτσι, δημιουργήθηκαν οι προϋποθέσεις για τη διαμόρφωση περιοχών της μοριακής βιολογίας, συμπεριλαμβανομένης της γενετικής μηχανικής. Και το 1972, ο Paul Berg και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν την τεχνολογία της μοριακής κλωνοποίησης. Οι επιστήμονες απέκτησαν το πρώτο ανασυνδυασμένο DNA in vitro. Αυτές οι εξαιρετικές ανακαλύψεις αποτέλεσαν τη βάση μιας νέας κατεύθυνσης στη μοριακή βιολογία και 1972 έκτοτε το έτος θεωρείται η ημερομηνία γέννησης της γενετικής μηχανικής.

3. Μέθοδοι μοριακής βιολογίας

Οι τεράστιες πρόοδοι στη μελέτη των νουκλεϊκών οξέων, της δομής του DNA και της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών έχουν οδηγήσει στη δημιουργία μιας σειράς μεθόδων μεγάλης σημασίας στην ιατρική, τη γεωργία και την επιστήμη γενικότερα.

Μετά τη μελέτη του γενετικού κώδικα και των βασικών αρχών αποθήκευσης, μετάδοσης και εφαρμογής κληρονομικών πληροφοριών, κατέστησαν απαραίτητες ειδικές μέθοδοι για την περαιτέρω ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας. Αυτές οι μέθοδοι θα επέτρεπαν τα γονίδια να χειραγωγηθούν, να τροποποιηθούν και να απομονωθούν.

Η εμφάνιση τέτοιων μεθόδων εμφανίστηκε στις δεκαετίες του 1970 και του 1980. Αυτό έδωσε τεράστια ώθηση στην ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας. Πρώτα απ 'όλα, αυτές οι μέθοδοι σχετίζονται άμεσα με την παραγωγή γονιδίων και την εισαγωγή τους στα κύτταρα άλλων οργανισμών, καθώς και με τη δυνατότητα προσδιορισμού της αλληλουχίας νουκλεοτιδίων στα γονίδια.

3.1. Ηλεκτροφόρηση DNA

Ηλεκτροφόρηση DNAείναι η βασική μέθοδος εργασίας με το DNA. Η ηλεκτροφόρηση DNA χρησιμοποιείται μαζί με σχεδόν όλες τις άλλες μεθόδους για την απομόνωση των επιθυμητών μορίων και την περαιτέρω ανάλυση των αποτελεσμάτων. Η ίδια η μέθοδος ηλεκτροφόρησης γέλης χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό θραυσμάτων DNA κατά μήκος.

Πριν ή μετά την ηλεκτροφόρηση, η γέλη επεξεργάζεται με βαφές που μπορούν να συνδεθούν με το DNA. Οι βαφές φθορίζουν στο υπεριώδες φως, με αποτέλεσμα ένα σχέδιο λωρίδων στο πήκτωμα. Για να προσδιοριστεί το μήκος των θραυσμάτων DNA, μπορούν να συγκριθούν με μαρκαδόροι- σετ θραυσμάτων τυπικού μήκους, τα οποία εφαρμόζονται στο ίδιο gel.

Φθορίζουσες πρωτεΐνες

Κατά τη μελέτη ευκαρυωτικών οργανισμών, είναι βολικό να χρησιμοποιούνται φθορίζουσες πρωτεΐνες ως γονίδια-δείκτες. Το γονίδιο για την πρώτη πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη ( πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, GFP) που απομονώθηκε από μέδουσες Aqeuorea victoriaκαι στη συνέχεια εισάγεται σε διάφορους οργανισμούς. Μετά από αυτό, απομονώθηκαν γονίδια για φθορίζουσες πρωτεΐνες άλλων χρωμάτων: μπλε, κίτρινο, κόκκινο. Για να ληφθούν πρωτεΐνες με ιδιότητες ενδιαφέροντος, τέτοια γονίδια έχουν τροποποιηθεί τεχνητά.

Γενικά, τα πιο σημαντικά εργαλεία για την εργασία με το μόριο του DNA είναι τα ένζυμα που πραγματοποιούν έναν αριθμό μετασχηματισμών DNA στα κύτταρα: DNA πολυμεράση, DNA λιγάσεςκαι περιορισμούς (περιοριστικές ενδονουκλεάσες).

διαγένεση

διαγένεσηΟνομάζεται μεταφορά γονιδίων από έναν οργανισμό στον άλλο. Τέτοιοι οργανισμοί ονομάζονται διαγονιδιακό.

Τα παρασκευάσματα ανασυνδυασμένων πρωτεϊνών λαμβάνονται μόλις μεταφέροντας γονίδια σε κύτταρα μικροοργανισμών. Οι περισσότερες από αυτές τις πρωτεΐνες είναι ιντερφερόνες, ινσουλίνη, ορισμένες πρωτεϊνικές ορμόνες, καθώς και πρωτεΐνες για την παραγωγή ενός αριθμού εμβολίων.

Σε άλλες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται κυτταροκαλλιέργειες ευκαρυωτικών ή διαγονιδιακών ζώων, κυρίως ζώων, που εκκρίνουν τις απαραίτητες πρωτεΐνες στο γάλα. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται αντισώματα, παράγοντες πήξης του αίματος και άλλες πρωτεΐνες. Η μέθοδος της διαγένεσης χρησιμοποιείται για τη λήψη καλλιεργειών ανθεκτικών σε παράσιτα και ζιζανιοκτόνα, και τα λύματα επεξεργάζονται με τη βοήθεια διαγονιδιακών μικροοργανισμών.

Εκτός από όλα τα παραπάνω, οι διαγονιδιακές τεχνολογίες είναι απαραίτητες επιστημονική έρευνα, γιατί η ανάπτυξη της βιολογίας είναι ταχύτερη με τη χρήση μεθόδων τροποποίησης και μεταφοράς γονιδίων.

Περιορισμοί

Οι αλληλουχίες που αναγνωρίζονται από τα περιοριστικά ένζυμα είναι συμμετρικές, επομένως κάθε είδους σπασίματα μπορεί να συμβούν είτε στη μέση μιας τέτοιας αλληλουχίας είτε με μετατόπιση σε έναν ή και στους δύο κλώνους του μορίου DNA.

Κατά τη διάσπαση οποιουδήποτε DNA με ένα ένζυμο περιορισμού, οι αλληλουχίες στα άκρα των θραυσμάτων θα είναι οι ίδιες. Θα μπορούν να συνδεθούν ξανά επειδή έχουν συμπληρωματικούς ιστότοπους.

Μπορείτε να πάρετε ένα μόνο μόριο ράβοντας αυτές τις αλληλουχίες χρησιμοποιώντας DNA λιγάσες. Λόγω αυτού, είναι δυνατός ο συνδυασμός θραυσμάτων δύο διαφορετικών DNA και η λήψη ανασυνδυασμένου DNA.

3.2. PCR

Η μέθοδος βασίζεται στην ικανότητα των πολυμερασών DNA να συμπληρώνουν τον δεύτερο κλώνο του DNA κατά μήκος του συμπληρωματικού κλώνου με τον ίδιο τρόπο όπως στη διαδικασία αντιγραφής του DNA σε ένα κύτταρο.

3.3. Αλληλουχία DNA

Η ταχεία ανάπτυξη της μεθόδου προσδιορισμού αλληλουχίας καθιστά δυνατό τον αποτελεσματικό προσδιορισμό των χαρακτηριστικών του υπό μελέτη οργανισμού στο επίπεδο του γονιδιώματος του. Το κύριο πλεονέκτημα τέτοιων γονιδιωματικών και μεταγονιδιωματικών τεχνολογιών είναι η αύξηση των δυνατοτήτων έρευνας και μελέτης της γενετικής φύσης των ανθρώπινων ασθενειών προκειμένου να ληφθούν εκ των προτέρων τα απαραίτητα μέτρα και να αποφευχθούν ασθένειες.

Μέσω ευρείας κλίμακας έρευνας, είναι δυνατό να ληφθούν τα απαραίτητα δεδομένα για τα διάφορα γενετικά χαρακτηριστικά διαφορετικών ομάδων ανθρώπων, αναπτύσσοντας έτσι τις μεθόδους ιατρικής. Εξαιτίας αυτού, ο εντοπισμός μιας γενετικής προδιάθεσης για διάφορες ασθένειες είναι πολύ δημοφιλής σήμερα.

Παρόμοιες μέθοδοι εφαρμόζονται ευρέως πρακτικά σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένης της Ρωσίας. Λόγω της επιστημονικής προόδου, υπάρχει μια εισαγωγή τέτοιων μεθόδων στην ιατρική έρευνα και την ιατρική πρακτική γενικότερα.

4. Βιοτεχνολογία

Βιοτεχνολογία- ένας κλάδος που μελετά τις δυνατότητες χρήσης ζωντανών οργανισμών ή των συστημάτων τους για την επίλυση τεχνολογικών προβλημάτων, καθώς και τη δημιουργία ζωντανών οργανισμών με τις επιθυμητές ιδιότητες μέσω της γενετικής μηχανικής. Η βιοτεχνολογία εφαρμόζει τις μεθόδους της χημείας, της μικροβιολογίας, της βιοχημείας και, φυσικά, της μοριακής βιολογίας.

Οι κύριες κατευθύνσεις ανάπτυξης της βιοτεχνολογίας (οι αρχές των βιοτεχνολογικών διεργασιών εισάγονται στην παραγωγή όλων των βιομηχανιών):

1. Δημιουργία και παραγωγή νέων ειδών τροφίμων και ζωοτροφών.
2. Απόκτηση και μελέτη νέων στελεχών μικροοργανισμών.
3. Εκτροφή νέων ποικιλιών φυτών, καθώς και δημιουργία μέσων για την προστασία των φυτών από ασθένειες και παράσιτα.
4. Εφαρμογή μεθόδων βιοτεχνολογίας για τις ανάγκες της οικολογίας. Τέτοιες μέθοδοι βιοτεχνολογίας χρησιμοποιούνται για την ανακύκλωση απορριμμάτων, την επεξεργασία λυμάτων, τον αέρα εξαγωγής και την υγιεινή του εδάφους.
5. Παραγωγή βιταμινών, ορμονών, ενζύμων, ορών για τις ανάγκες της ιατρικής. Οι βιοτεχνολόγοι αναπτύσσουν βελτιωμένα φάρμακα που παλαιότερα θεωρούνταν ανίατα.

Ένα σημαντικό επίτευγμα στη βιοτεχνολογία είναι η γενετική μηχανική.

Γενετική μηχανική- ένα σύνολο τεχνολογιών και μεθόδων για τη λήψη ανασυνδυασμένων μορίων RNA και DNA, απομόνωση μεμονωμένων γονιδίων από κύτταρα, χειρισμό γονιδίων και εισαγωγή τους σε άλλους οργανισμούς (βακτήρια, ζυμομύκητες, θηλαστικά). Τέτοιοι οργανισμοί είναι σε θέση να παράγουν τελικά προϊόντα με τις επιθυμητές, τροποποιημένες ιδιότητες.

Οι μέθοδοι γενετικής μηχανικής στοχεύουν στην κατασκευή νέων, προηγουμένως ανύπαρκτων συνδυασμών γονιδίων στη φύση.

Μιλώντας για τα επιτεύγματα της γενετικής μηχανικής, είναι αδύνατο να μην αγγίξουμε το θέμα της κλωνοποίησης. Κλωνοποίησηείναι μία από τις μεθόδους της βιοτεχνολογίας που χρησιμοποιούνται για την απόκτηση πανομοιότυπων απογόνων διαφορετικών οργανισμών μέσω της ασεξουαλικής αναπαραγωγής.

Με άλλα λόγια, η κλωνοποίηση μπορεί να θεωρηθεί ως η διαδικασία δημιουργίας γενετικά πανομοιότυπων αντιγράφων ενός οργανισμού ή ενός κυττάρου. Και οι κλωνοποιημένοι οργανισμοί είναι παρόμοιοι ή εντελώς πανομοιότυποι όχι μόνο σε εξωτερικά χαρακτηριστικά, αλλά και σε γενετικό περιεχόμενο.

Το διαβόητο πρόβατο Ντόλι το 1966 έγινε το πρώτο κλωνοποιημένο θηλαστικό. Λήφθηκε με μεταμόσχευση του πυρήνα ενός σωματικού κυττάρου στο κυτταρόπλασμα του ωαρίου. Η Ντόλι ήταν ένα γενετικό αντίγραφο του προβάτου δότη πυρήνα. Υπό φυσικές συνθήκες, ένα άτομο σχηματίζεται από ένα γονιμοποιημένο ωάριο, έχοντας λάβει το μισό γενετικό υλικό από δύο γονείς. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της κλωνοποίησης, το γενετικό υλικό ελήφθη από το κύτταρο ενός ατόμου. Αρχικά, ο πυρήνας, ο οποίος περιέχει το ίδιο το DNA, αφαιρέθηκε από το ζυγώτη. Στη συνέχεια αφαίρεσαν τον πυρήνα από το ενήλικο κύτταρο προβάτου και τον εμφύτευσαν σε αυτόν τον ζυγώτη χωρίς τον πυρήνα, και στη συνέχεια μεταμοσχεύθηκε στη μήτρα ενός ενήλικα και αφέθηκε να αναπτυχθεί και να αναπτυχθεί.

Ωστόσο, δεν ήταν όλες οι προσπάθειες κλωνοποίησης επιτυχείς. Παράλληλα με την κλωνοποίηση της Dolly, ένα πείραμα αντικατάστασης DNA πραγματοποιήθηκε σε άλλα 273 ωάρια. Αλλά μόνο σε μία περίπτωση ένα ζωντανό ενήλικο ζώο θα μπορούσε να αναπτυχθεί και να αναπτυχθεί πλήρως. Μετά την Ντόλι, οι επιστήμονες προσπάθησαν να κλωνοποιήσουν άλλα είδη θηλαστικών.

Ένας από τους τύπους γενετικής μηχανικής είναι επεξεργασία γονιδιώματος.

Το εργαλείο CRISPR/Cas βασίζεται στο στοιχείο του ανοσοποιητικού προστατευτικό σύστημαβακτήρια, τα οποία οι επιστήμονες έχουν προσαρμόσει για να εισάγουν οποιεσδήποτε αλλαγές στο DNA των ζώων ή των φυτών.

Το CRISPR/Cas είναι μία από τις βιοτεχνολογικές μεθόδους χειρισμού μεμονωμένων γονιδίων στα κύτταρα. Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για αυτή την τεχνολογία. Το CRISPR/Cas επιτρέπει στους ερευνητές να καταλάβουν τη λειτουργία διαφορετικών γονιδίων. Για να γίνει αυτό, χρειάζεται απλώς να αποκόψετε το υπό μελέτη γονίδιο από το DNA και να μελετήσετε ποιες λειτουργίες του σώματος επηρεάστηκαν.

Μερικές πρακτικές εφαρμογές του συστήματος:

1. Γεωργία.Μέσω των συστημάτων CRISPR/Cas, οι καλλιέργειες μπορούν να βελτιωθούν. Δηλαδή, για να γίνουν πιο νόστιμα και θρεπτικά, καθώς και ανθεκτικά στη ζέστη. Είναι δυνατόν να προικιστούν τα φυτά με άλλες ιδιότητες: για παράδειγμα, κόψτε ένα γονίδιο αλλεργιογόνου από ξηρούς καρπούς (φιστίκια ή φουντούκια).
2. Ιατρική, κληρονομικά νοσήματα.Οι επιστήμονες έχουν στόχο να χρησιμοποιήσουν το CRISPR/Cas για να αφαιρέσουν μεταλλάξεις από το ανθρώπινο γονιδίωμα που μπορούν να προκαλέσουν ασθένειες, όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία κ.λπ. Θεωρητικά, το CRISPR/Cas μπορεί να σταματήσει την ανάπτυξη του HIV.
3. Γονιδιακή κίνηση.Το CRISPR/Cas μπορεί να αλλάξει όχι μόνο το γονιδίωμα ενός μεμονωμένου ζώου ή φυτού, αλλά και τη γονιδιακή δεξαμενή ενός είδους. Αυτή η έννοια είναι γνωστή ως "γονιδιακή ώθηση". Κάθε ζωντανός οργανισμός μεταδίδει τα μισά από τα γονίδιά του στους απογόνους του. Αλλά η χρήση του CRISPR/Cas μπορεί να αυξήσει την πιθανότητα μεταφοράς γονιδίων έως και 100%. Αυτό είναι σημαντικό προκειμένου το επιθυμητό χαρακτηριστικό να εξαπλωθεί γρηγορότερα σε ολόκληρο τον πληθυσμό.

Ελβετοί επιστήμονες έχουν βελτιώσει και εκσυγχρονίσει σημαντικά τη μέθοδο επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR/Cas, επεκτείνοντας έτσι τις δυνατότητές της. Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούσαν να τροποποιήσουν μόνο ένα γονίδιο τη φορά χρησιμοποιώντας το σύστημα CRISPR/Cas. Αλλά τώρα ερευνητές στο ETH Ζυρίχης έχουν αναπτύξει μια μέθοδο που μπορεί να τροποποιήσει ταυτόχρονα 25 γονίδια σε ένα κύτταρο.

Για την πιο πρόσφατη τεχνική, οι ειδικοί χρησιμοποίησαν το ένζυμο Cas12a. Οι γενετιστές κλωνοποίησαν με επιτυχία πιθήκους για πρώτη φορά στην ιστορία. "Λαϊκή Μηχανική";

Nikolenko S. (2012). Γονιδιωματική: Δήλωση Προβλήματος και Μέθοδοι Αλληλουχίας. "Μετα-επιστήμη".