Лекция 1. Концепция молекулярна биологияи основните етапи от неговото развитие

Дефиниция на предмета молекулярна биология

Терминът „молекулярна биология“ идва от нобеловия лауреат Франсис Крик, който „се умори да се обявява за смесица от кристалограф, биохимик, биофизик и генетик, когато го питат за професията му“.

След атомната бомбардировка на Хирошима и Нагасаки през 1945 г. учените започват да бягат от физиката и през 1947 г. Нобелов лауреатфизикът Ервин Шрьодингер написа книгата „Какво е животът от гледна точка на физика?“, която привлече много физици и математици към биологията.

Дефиниция на понятието

Молекулярната биология е наука за механизмите на съхранение, възпроизвеждане, предаване и внедряване на генетична информация, структурата и функциите на неправилните биополимери - нуклеинови киселини и протеини.

Започвайки с изучаването на биологични процеси на молекулярно-атомно ниво, молекулярната биология премина към сложни супрамолекулни клетъчни структури и в момента успешно решава проблемите на генетиката, физиологията, еволюцията и екологията.

Основни етапи в развитието на молекулярната биология

1. Първи романтичен период 1935-1944 г

Макс Делбрюк и Салвадор Лурия изучават възпроизвеждането на фаги и вируси, които са комплекси от нуклеинови киселини с протеини.

През 1940 г. Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм формулират хипотезата „един ген, един ензим“. Все още обаче не беше известно какво е генът във физикохимични условия.

2. Втори романтичен период 1944-1953 г

Генетичната роля на ДНК е доказана. През 1953 г. се появява моделът на двойната спирала на ДНК, за който неговите създатели Джеймс Уотсън, Франсис Крик и Морис Уилкинс получават Нобелова награда.

3. Догматичен период 1953-1962 г

Формулирана е централната догма на молекулярната биология:

Трансферът на генетична информация върви в посокаДНК → РНК → протеин.

През 1962 г. е дешифриран генетичен код.

4. Академичен период от 1962 г. до момента, в който от 1974 г. има подпериод на генното инженерство.

Ок nonovna д открития

1944 г . Доказателство за генетичната роля на ДНК.Осуалд ​​Ейвъри, Колин Маклауд, Маклийн Маккарти.

1953 г . Установяване структурата на ДНК.Джеймс Уотсън, Франсис Крик.

1961 г . Откриване на генетична регулация на ензимния синтез.Андре Лвов, Франсоа Жакоб, Жак Моно.

1962 г . Декодиране на генетичния код.Маршал Нирнберг, Хайнрих Матей, Северо Очоа.

1967 г Синтез ввитробиологично активна ДНК. Артър Корнберг (неформален лидер по молекулярна биология).

1970 г . Химичен генен синтез.Гобинд от Корана.

1970 г . Откриване на ензима обратна транскриптаза и явлението обратна транскрипция.Хауърд Темин, Дейвид Балтимор, Ренато Дулбеко.

1974 г . Откриване на рестрикционни ензими.Хамилтън Смит, Даниел Натанс, Вернер Арбер.

1978 г . Откриване на сплайсинга.Филип Шарп.

1982 г . Откриване на автосплайсинг. ThomasCheck.

Доказателство за генетичната роля на нуклеиновите киселини

1 . 1928 г. Експериментите на Фредерик Грифит.

Грифит работеше с пневмококи- бактерии, които причиняват пневмония. Той взе два щама пневмококи: капсулни и некапсулни. Капсулен - патогенен (вирулентен), при заразяване с този щам мишките умират, некапсулен - непатогенен. Когато мишките бяха инжектирани със смес от убити чрез топлина (и следователно загубена вирулентност) капсулни пневмококи и живи некапсулни, невирулентни бактерии, животните умряха в резултат на пролиферацията на капсулни вирулентни форми. Грифит интерпретира откритото явление като трансформация.

определение:

Трансформацията е придобиването от един организъм на някои характеристики на друг организъм поради улавянето на част от неговата генетична информация.

През 1944 г. този експеримент е повторен от Oswald Avery, Colin McLeod и McLean McCarthy във варианта на смесване на капсулни пневмококи с протеини, полизахариди или ДНК, взети от капсулни. В резултат на този експеримент беше разкрита природата на трансформиращия фактор.

ДНК се оказа трансформиращият фактор.

2 . 1952 г. Експеримент на Алфред Хърши и Марта Чейс. Фагите (бактериофагите) са вируси, които се възпроизвеждат в бактерии. д.коли - коли(еубактерии).

Същността на преживяването:фаги, в които протеиновата обвивка е белязана с радиоактивна сяра ( S 35 ), и ДНК с радиоактивен фосфор (P 32), се инкубира с бактерии. След това бактериите се отмиват.

P 32 не е открит в промивна вода, но в бактерии - S 35 . следователно Само ДНК влезе вътре.След няколко минути от бактериите излязоха десетки пълноценни фаги, съдържащи както протеинова обвивка, така и ДНК.

Това доведе до ясния извод, че Именно ДНК изпълнява генетична функция - носи информация за създаването на нови копия на ДНК, тик и синтеза на фагови протеини.

3 . 1957 Експерименти на Френкел-Конрат.

Frenkel-Konrath работи с вируса на тютюневата мозайка (TMV). Този вирус съдържа РНК, а не ДНК. Известно е, че различните щамове на вируса причиняват различни модели на увреждане на тютюневите листа. След промяна на протеиновата обвивка, „маскираните“ вируси причиняват модел на лезия, характерен за щама, чиято РНК е покрита с чужд протеин.

следователно Не само ДНК, но и РНК може да служи като носител на генетична информация.

Днес има стотици хиляди доказателства за генетичната роля на нуклеиновите киселини. Горните три са класически.

Молекулярната биология преживя период на бързо развитие на собствените си изследователски методи, които сега се различават от биохимията. Те включват по-специално методи на генно инженерство, клониране, изкуствена експресия и генно нокаутиране. Тъй като ДНК е материалният носител на генетична информация, молекулярната биология стана значително по-близо до генетиката и молекулярната генетика, която е едновременно клон на генетиката и молекулярната биология, се формира на кръстовището. Точно както молекулярната биология широко използва вируси като изследователски инструмент, вирусологията използва методи на молекулярна биология за решаване на своите проблеми. Компютърната технология се използва за анализ на генетична информация и поради това се появиха нови области на молекулярната генетика, които понякога се считат за специални дисциплини: биоинформатика, геномика и протеомика.

История на развитието

Това основополагащо откритие е подготвено от дълъг период на изследване на генетиката и биохимията на вирусите и бактериите.

През 1928 г. Фредерик Грифит за първи път показа, че екстрактът от топлина убива патогенни бактерииможе да предаде патогенност на неопасни бактерии. Изследването на бактериалната трансформация впоследствие доведе до пречистване на патогенния агент, който, противно на очакванията, се оказа не протеин, а нуклеинова киселина. Самата нуклеинова киселина не е опасна, тя носи само гени, които определят патогенността и други свойства на микроорганизма.

През 50-те години на 20 век е показано, че бактериите имат примитивен полов процес, те са способни да обменят екстрахромозомна ДНК и плазмиди. Откриването на плазмидите, както и трансформацията, формират основата на плазмидната технология, широко разпространена в молекулярната биология. Друго важно откритие за методологията е откриването на бактериални вируси и бактериофаги в началото на 20 век. Фагите също могат да пренасят генетичен материал от една бактериална клетка в друга. Инфекцията на бактериите от фаги води до промени в състава на бактериалната РНК. Ако без фаги съставът на РНК е подобен на състава на бактериалната ДНК, тогава след инфекцията РНК става по-подобна на ДНК на бактериофага. Така беше установено, че структурата на РНК се определя от структурата на ДНК. От своя страна скоростта на синтеза на протеини в клетките зависи от количеството РНК-протеинови комплекси. Така беше формулирано Централна догма на молекулярната биология:ДНК ↔ РНК → протеин.

По-нататъшното развитие на молекулярната биология беше придружено както от развитието на нейната методология, по-специално откриването на метод за определяне на нуклеотидната последователност на ДНК (W. Gilbert и F. Sanger, Нобелова награда за химия 1980), така и от нови открития в областта на изследването на структурата и функционирането на гените (виж История на генетиката). До началото на 21 век са получени данни за първичната структура на цялата ДНК на човека и редица други организми, най-важните за медицината, селското стопанство и научно изследване, което доведе до появата на няколко нови направления в биологията: геномика, биоинформатика и др.

Вижте също

• Молекулярна биология (списание)
• Транскриптомика
• Молекулярна палеонтология
• ЕМБО- Европейска организация молекулярни биолози

Литература

• Сингър М., Берг П.Гени и геноми. - Москва, 1998 г.
• Стент Г., Калиндар Р.Молекулярна генетика. - Москва, 1981 г.
• Самбрук Дж., Фрич Е.Ф., Маниатис Т.Молекулярно клониране. - 1989 г.
• Патрушев Л. И.Генната експресия. - М.: Наука, 2000. - 000 с., ил. ISBN 5-02-001890-2

Връзки

• Материали по молекулярна биология от Руската академия на науките

Фондация Уикимедия. 2010 г.

• Ардатовски район, област Нижни Новгород
• Арзамаски район на област Нижни Новгород

Вижте какво е „Молекулярна биология“ в други речници:

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ- изучава осн свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Най-важните направления в M. b. са изследвания на структурната и функционална организация на генетичния апарат на клетките и механизма за внедряване на наследствената информация... ... Биологичен енциклопедичен речник

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ- изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и други явления се причиняват от... Голям енциклопедичен речник

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ Съвременна енциклопедия

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ- МОЛЕКУЛНА БИОЛОГИЯ, биологичното изследване на структурата и функционирането на МОЛЕКУЛИТЕ, които изграждат живите организми. Основните области на обучение включват физически и Химични свойствапротеини и НУКЛЕИНОВИ КИСЕЛИНИ като ДНК. Вижте също… … Научно-технически енциклопедичен речник

молекулярна биология- раздел от биологията, който изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен протичат растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и... ... Речник по микробиология

молекулярна биология- - Теми на биотехнологиите EN молекулярна биология ... Ръководство за технически преводач

Молекулярна биология- МОЛЕКУЛАРНА БИОЛОГИЯ, изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен протичат растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, преобразуването на енергията в живите клетки и... ... Илюстрован енциклопедичен речник

Молекулярна биология- наука, която има за цел да разбере природата на жизнените явления чрез изучаване на биологични обекти и системи на ниво, приближаващо се до молекулярното ниво, а в някои случаи достигайки тази граница. Крайната цел е........ Велика съветска енциклопедия

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ- изучава явленията на живота на ниво макромолекули (предимно протеини и нуклеинови киселини) в безклетъчни структури (рибозоми и др.), във вируси, както и в клетки. Предназначение M. b. установяване на ролята и механизма на функциониране на тези макромолекули въз основа на... ... Химическа енциклопедия

молекулярна биология- изследва основните свойства и прояви на живота на молекулярно ниво. Открива как и до каква степен протичат растежът и развитието на организмите, съхраняването и предаването на наследствената информация, трансформацията на енергията в живите клетки и други явления... ... енциклопедичен речник

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯ,подробно изследване на живите клетки и техните компоненти(органели), проследявайки ролята на отделните идентифицируеми съединения във функционирането на тези структури. Областта на молекулярната биология включва изучаването на всички процеси, свързани с живота, като хранене и отделяне, дишане, секреция, растеж, възпроизводство, стареене и смърт. Най-важното постижение на молекулярната биология е дешифрирането на генетичния код и изясняването на механизма, чрез който клетката използва информацията, необходима например за синтеза на ензими. Молекулярно-биологичните изследвания допринасят и за по-пълното разбиране на други жизнени процеси – фотосинтеза, клетъчно дишане и мускулна дейност.

В молекулярната биология те предпочитат да работят с относително прости системи, като едноклетъчни организми (бактерии, някои водорасли), в които броят на компонентите е относително малък и следователно по-лесни за разграничаване. Но дори и това изисква много сложни методи, за да се локализират точно отделните вещества и да се разграничат от всички останали.

На базата на физикохимични подходи и инструменти са разработени сложни, чувствителни инструменти и методи, адаптирани за работа с органични съединенияживи системи. Авторадиографският метод се основава на включването на радиоактивни атоми, т.нар., в определени вещества. „радиоактивен маркер“, който ви позволява да проследите – чрез излъчвана радиация – химичните трансформации на тези вещества. При изучаване на нискомолекулни вещества се използват методи, които позволяват да се комбинират малки молекули на дадено вещество в т.нар. макромолекули, достатъчно големи, за да се наблюдават при голямо увеличение в трансмисионен електронен микроскоп. Определете чрез рентгенова дифракция обща формамакромолекули, както беше направено например с дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). За разделяне на смес от вещества, които се различават по размер и химичен състав, разлики в скоростта на тяхното движение в електрическо поле (метод на електрофореза) или различни скорости на дифузия в разтворител, протичащ през неподвижна фаза, като хартия (метод на хроматография) , са използвани.

С помощта на подходящи ензими е възможно да се определи нуклеотидната последователност на гените, а от нея и аминокиселинната последователност на синтезираните протеини. Ако при животни различни видовеНуклеотидните последователности на гени, кодиращи общи за тях протеини, например хемоглобин, са близки, можем да заключим, че в миналото тези животни са имали общ прародител. Ако разликите в техните гени са големи, тогава е ясно, че разминаването на видовете от общ прародител е станало много по-рано. Такива молекулярно-биологични изследвания откриха нов подход към изучаването на еволюцията на организмите.

Важен принос в медицината трябва да има идентифицирането на вирусите по техния състав. С негова помощ е възможно например да се установи, че вирус, който причинява определено заболяване при хората, се загнездва естествено в някое диво животно, от което болестта се предава на хората. Ако не се открият симптоми на заболяването при животни, които служат като резервоар на този вирус в природата, тогава очевидно тук работи някакъв механизъм на имунитета и тогава възниква нова задача - да се проучи този механизъм, за да се опита да го включите в имунна системачовек.

МОЛЕКУЛЯРНА БИОЛОГИЯкъсно лат. молекула, умалително от лат. молова маса; биология) е медицинска и биологична наука, която изучава явленията на живота на ниво биологични макромолекули - протеини и нуклеинови киселини, като прости системи, като безклетъчни структури, вируси и, като ограничение, на клетъчно ниво. Повечето от тези обекти са неодушевени или надарени с елементарни прояви на живот. позицията на М. b. в системата на биоличните науки се определя от идеите за структурните нива на живата материя, т.е. еволюционно развитите форми на живот, започвайки с пребиотични стъпки и завършвайки със сложни системи: малки органични молекули - макромолекули - клетка и субклетъчни структури - организъм, и т.н., съответно нива на знания се изграждат и в Крим. Исторически M. b. образувани в резултат на изследването на биологични макромолекули, поради което M. b. се разглежда като клон на биохимията (виж). М. б. в същото време е гранична наука, възникнала в пресечната точка на биохимията, биофизиката (виж), органичната химия (виж), цитологията (виж) и генетиката (виж). Идея М. б. се състои в разкриване на елементарните механизми на основните процеси на живота - наследственост (виж), променливост (виж), движение и др. - чрез изучаване на биол, макромолекули. Molecular Biol. идеите намериха плодородна почва особено в генетиката - възникна молекулярната генетика (виж) и именно тук бяха постигнати резултати, които допринесоха за развитието на M. b. и признаване на неговите принципи. Представления на M. b. имат евристична (когнитивна) стойност, тъй като на всички нива на развитие на живата материя съществуват и действат биоли, макромолекули - протеини (виж) и нуклеинови киселини (виж). По тази причина границите на М. б. трудно се дефинира: оказва се, че е всепроникваща наука.

Самото име „молекулярна биология“ принадлежи на англичаните. кристалограф W. T. Astbury. Официалната дата на появата на M. b. Те смятат, че това е 1953 г., когато Дж. Уотсън и Ф. Крик установяват структурата на ДНК и правят предположение, което по-късно се потвърждава, за механизма на нейното възпроизвеждане, който е в основата на наследствеността. Но на понеот 1944 г., започвайки с трудовете на Ейвъри (O. Th. Avery), се натрупват факти, които показват генетичната роля на ДНК; Н. К. Колцов изрази идеята за матричен синтез в много ясна форма през 1928 г.; изследването на молекулярната основа на мускулната контракция започва с трудовете на V. A. Engelhardt и M. N. Lyubimova, публикувани през 1939-1942 г. М. б. също се развива в областта на еволюционните изследвания и систематиката. В СССР инициаторът на изучаването на нуклеиновите киселини и изследването на молекулярните основи на еволюцията беше А. Н. Белозерски.

Отличителна черта на M. b. се състои в естеството на наблюденията, в неговите методологични техники и дизайна на експеримента. М. б. принуди биолозите да погледнат по нов начин върху материалната основа на живота. За молекулярна биол. Изследванията се характеризират със сравнение на биологичните функции с химията. и физически характеристики (свойства) на биополимерите и особено тяхната пространствена структура.

За да се разберат законите на структурата на нуклеиновите киселини и тяхното поведение в клетката, принципът на базовата комплементарност в двуверижните структури на нуклеиновите киселини, създаден през 1953 г. от J. Watson и F. Crick, е от изключително значение. на значимостта пространствени отношениянамери своя израз в идеята за допълване на повърхностите на макромолекулите и молекулните комплекси, компонент необходимо условиепрояви на слаби сили, действащи само на къси разстояния и допринасящи за създаването на морфол, разнообразие от биол. структури, тяхната функционална подвижност. Тези слаби сили участват в образуването на комплекси като ензим - субстрат, антиген - антитяло, хормон - рецептор и т.н., във явленията на самосглобяване на биологични структури, например рибозоми, в образуването на двойки азотни бази в молекулите на нуклеиновите киселини и др. подобни процеси.

М. б. насочи вниманието на биолозите към прости обекти, стоящи на границите на живота, въведе идеи и точни методихимия и физика. Процесът на мутация се тълкува на молекулярно ниво като загуба, вмъкване и движение на ДНК сегменти, заместване на двойка азотни бази във функционално значими сегменти на генома (виж Мутация). Феноменът на мутагенезата (виж) следователно е преведен в химията. език. Благодарение на методите на М. бяха разкрити молекулярните основи на такива генетични процеси в прокариотите като рекомбинация (q.v.), трансдукция (q.v.), трансформация (q.v.), трансфекция, сексдукция. Значителен напредък е постигнат в изучаването на структурата на хроматина и хромозомите на еукариотите; подобряването на методите за култивиране и хибридизация на животински клетки създаде възможност за развитие на генетиката на соматичните клетки (виж). Регулирането на репликацията на ДНК е изразено в концепцията за репликона от F. Jacob и S. Brenner.

В областта на биосинтезата на протеини, т.нар централен постулат, характеризиращ следното движение на генетична информация: ДНК -> информационна РНК -> протеин. Според този постулат протеинът е вид информационен клапан, който предотвратява връщането на информацията на ниво РНК и ДНК. В процеса на развитие на M. b. през 1970 г. Х. Темин и Д. Балтимор откриват явлението обратна транскрипция (в природата синтезата на ДНК се извършва в онкогенни РНК-съдържащи вируси с помощта на специален ензим - обратна транскриптаза). Синтезите на протеини и нуклеинови киселини се извършват според вида матрични синтези, за възникването им е необходима матрица (шаблон) - оригиналната полимерна молекула, която предопределя последователността на нуклеотидите (аминокиселините) в синтезираното копие. Такива шаблони за репликация и транскрипция са ДНК, а за транслация – информационна РНК. Генетичният код (виж) формулира начин за „записване“ на наследствена информация в информационна РНК; с други думи, той координира последователността на нуклеотидите в нуклеиновите киселини и аминокиселините в протеините. Транскрипцията е свързана с протеинова биосинтеза - синтеза на информационни РНК върху ДНК матрица, катализирана от РНК полимерази; транслацията е синтеза на протеин върху информационна РНК, свързана с рибозома, която се осъществява по много сложен механизъм, в който участват десетки спомагателни протеини и трансферни РНК (виж Рибозоми). Регулацията на протеиновия синтез е най-изучена на ниво транскрипция и е формулирана в идеите на F. Jacob и J. Monod за оперона, репресорните протеини, алостеричния ефект, позитивната и негативната регулация. Нееднороден по своето съдържание и дори по-малко пълен от предишните, разделът на M. b. е редица проблеми от фундаментален и приложен характер. Те включват възстановяване на увреждане на генома, причинено от късовълнова радиация, мутагени (виж) и други влияния. Голяма независима област се състои от изследвания на механизма на действие на ензимите, базирани на идеи за триизмерната структура на протеините и ролята на слабите химикали. взаимодействия. М. б. изясни много подробности за структурата и развитието на вирусите, особено на бактериофагите. Изследването на хемоглобините при хора, страдащи от сърповидно-клетъчна анемия (виж) и други хемоглобинопатии (виж) бележи началото на изследването на структурната основа на „молекулярните заболявания“, вродени „грешки“ на метаболизма (виж Наследствени заболявания). Най-новият клон на генното инженерство (виж) разработва методи за изграждане на наследствени структури под формата на рекомбинантни ДНК молекули.

В молекулярната биол. използват се експерименти различни начинихроматография (виж) и ултрацентрофугиране (виж), рентгенов дифракционен анализ (виж), електронна микроскопия (виж), молекулярна спектроскопия (електронен парамагнитен и ядрено-магнитен резонанс). Започва използването на синхротронно (магнитно спирачно) лъчение, неутронна дифракция, Мьосбауер спектроскопия и лазерна технология. Моделните системи и получаването на мутации се използват широко в експерименти. Използването на радиоактивни и (в по-малка степен) тежки изотопи е в M. b. обикновени аналитичен метод, както и използването на математически методи и компютри. Ако по-ранните молекулярни биолози се ръководеха от гл. обр. по физическо методи, създадени за изследване на небиологични полимери. произход, сега има нарастваща тенденция към употребата на химикали. методи.

За развитието на М. б. в СССР голямо значениеимаше резолюция на Централния комитет на КПСС и Съвета на министрите на СССР „За мерките за ускоряване на развитието на молекулярната биология и молекулярната генетика и използването на техните постижения в националната икономика“, публикувана на 20 май 1974 г. Изследванията се координират от Междуведомствения научно-технически съвет по проблемите на молекулярната биология и молекулярната генетика към Държавния комитет за наука и технологии, Съвета на министрите на СССР и Академията на науките на СССР, Научния съвет по проблемите на молекулярната биология на Академия на науките на СССР, подобни съвети на Академията на науките на съюзните републики и отраслови академии. Издава се списание "Молекулярна биология" (от 1967 г.) и реферативно списание със същото име. Изследвания на M. b. се провеждат в институтите на Академията на науките на СССР, Академията на медицинските науки на СССР, републиканските академии на науките, Главната микробиологична индустрия и висшите учебни заведения на страната. В социалистическите страни има много лаборатории от този профил. В Европа има Европейската организация по молекулярна биология (EMBO), Европейската лаборатория по молекулярна биология (EMBL) в Хайделберг и Европейската конференция по молекулярна биология (EMBC). Големи специализирани лаборатории има в САЩ, Франция, Великобритания, Германия и други страни.

Специални периодични издания, посветени на проблемите на M. b. в чужбина: „Journal of Molecular Biology“, „Nucleic Acids Research“, „Molecular Biology Reports“, „Gene“.

Отзиви за M. b. публикувани в поредицата „Молекулярна биология“ на VINITI, в „Напредък в изследванията на нуклеинови киселини и молекулярна биология“, „Напредък в биофизиката и молекулярната биология“, „Годишен преглед на биохимията“, публикации на „Симпозиуми на Cold Spring Harbor по количествена биология“ ”.

Библиография:Ашмарин И. П. Молекулярна биология, Ленинград, 1977 г.; Белозерски А. Н. Молекулярна биология - нов етап на познание на природата, М., 1970; Bresler S. E. Молекулярна биология, L., 1973; Колцов Н. К. Наследствени молекули, Бул. Москва про-ва тест. природа, отд. биол., т. 70, с. 4, стр. 75, 1965; Октомври и науката, изд. А.П. Александрова и др., стр. 393, 417, М., 1977; Северин С. Е. Съвременни въпросифизическа и химическа биология, в книгата: 250 години Академия на науките на СССР, с. 332, М., 1977; Watson J. Молекулярна биология: ген, транс. от англ., М., 1978; Engelhardt V. A. Молекулярна биология, в книгата: Развитие на биол, в СССР, изд. B. E. Bykhovsky, p. 598, М., 1967.

Можем да кажем, че молекулярната биология изучава проявите на живота върху неживи структури или системи с елементарни признаци на жизнена активност (които могат да бъдат отделни биологични макромолекули, техни комплекси или органели), изучавайки как ключовите процеси, характеризиращи живата материя, се реализират чрез химични взаимодействияи трансформации.

Отделянето на молекулярната биология от биохимията в самостоятелна научна област е продиктувано от факта, че основната й задача е да изучава структурата и свойствата на биологичните макромолекули, участващи в различни процеси, и да изяснява механизмите на тяхното взаимодействие. Биохимията се занимава с изучаването на действителните процеси на живота, моделите на тяхното протичане в живия организъм и трансформациите на молекулите, които съпътстват тези процеси. В крайна сметка молекулярната биология се опитва да отговори на въпроса защо възниква определен процес, докато биохимията отговаря на въпросите къде и как от химическа гледна точка се случва въпросният процес.

История

Молекулярната биология като отделен клон на биохимията започва да се оформя през 30-те години на миналия век. Именно тогава, за по-задълбочено разбиране на феномена на живота, възниква необходимостта от целенасочени изследвания на молекулярно ниво на процесите на съхранение и предаване на наследствена информация в живите организми. Тогава задачата на молекулярната биология се определя в изучаването на структурата, свойствата и взаимодействието на нуклеиновите киселини и протеините. Терминът „молекулярна биология“ е използван за първи път от английския учен Уилям Астбъри в контекста на изследвания, свързани с изясняване на връзките между молекулярната структура и физическите и биологични свойства на фибриларните протеини, като колаген, кръвен фибрин или мускулни контрактилни протеини.

В ранните дни на молекулярната биология РНК се смяташе за компонент на растенията и гъбите, а ДНК се смяташе за типичен компонент на животинските клетки. Първият изследовател, който доказва, че ДНК се съдържа в растенията, е Андрей Николаевич Белозерски, който изолира ДНК на грах през 1935 г. Това откритие установява факта, че ДНК е универсална нуклеинова киселина, присъстваща в растителни и животински клетки.

Голямо постижение е установяването от Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм на пряка причинно-следствена връзка между гените и протеините. В своите експерименти те излагат клетки на Neurospora ( Невроспоракрасса) Рентгеново лъчение, което причинява мутации. Получените резултати показват, че това води до промени в свойствата на специфични ензими.

През 1940 г. Алберт Клод изолира гранули, съдържащи цитоплазмена РНК, от цитоплазмата на животински клетки, които са по-малки от митохондриите. Той ги нарече микрозоми. Впоследствие при изследване на структурата и свойствата на изолираните частици се установява тяхната фундаментална роля в процеса на биосинтеза на протеини. През 1958 г. на първия симпозиум, посветен на тези частици, беше решено тези частици да бъдат наречени рибозоми.

Друга важна стъпка в развитието на молекулярната биология са публикуваните през 1944 г. данни от експеримента на Осуалд ​​Ейвъри, Колин Маклауд и Маклийн Маккарти, които показват, че ДНК е причината за бактериалната трансформация. Това беше първото експериментално доказателство за ролята на ДНК в предаването на наследствена информация, развенчавайки преобладаващата преди това идея за протеиновата природа на гените.

В началото на 50-те години на миналия век Фредерик Сангер показа, че протеиновата верига е уникална последователност от аминокиселинни остатъци. В края на 50-те години Макс Перуц и Джон Кендрю дешифрираха пространствената структура на първите протеини. Още през 2000 г. бяха известни стотици хиляди естествени аминокиселинни последователности и хиляди пространствени структури на протеини.

Приблизително по същото време изследванията на Ервин Чаргаф му позволяват да формулира правила, описващи съотношението на азотните бази в ДНК (правилата гласят, че независимо от видовите различия в ДНК, количеството гуанин е равно на количеството цитозин и количеството на аденин е равен на количеството темин), което по-късно помогна да се направи най-големият пробив в молекулярната биология и един от най-големите откритияв биологията като цяло.

Това събитие се случи през 1953 г., когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик, базирани на творбите на Розалинд Франклин и Морис Уилкинс Рентгеноструктурен анализДНК, установява двойноверижната структура на ДНК молекулата. Това откритие даде възможност да се отговори на основния въпрос за способността на носителя на наследствена информация да се самовъзпроизвежда и да се разбере механизмът на предаване на такава информация. Същите тези учени формулират принципа на комплементарност на азотните основи, който е от ключово значение за разбирането на механизма на образуване на надмолекулни структури. Този принцип, който сега се използва за описание на всички молекулни комплекси, ни позволява да опишем и предвидим условията за възникване на слаби (невалентни) междумолекулни взаимодействия, които определят възможността за образуване на вторични, третични и т.н. структурата на макромолекулите, хода на самосглобяване на супрамолекулни биологични системи, които определят толкова голямо разнообразие от молекулярни структури и техните функционални комплекти. Тогава, през 1953 г., възникна Научно списаниеВестник по молекулярна биология. Той беше ръководен от Джон Кендрю, чиято област на научни интереси беше изследването на структурата на глобуларните протеини (Нобелова награда през 1962 г. заедно с Макс Перуц). Подобно рускоезично списание, наречено „Молекулярна биология“, е основано в СССР от В. А. Енгелхард през 1966 г.

През 1958 г. Франсис Крик формулира т.нар. централната догма на молекулярната биология: идеята за необратимостта на потока на генетична информация от ДНК през РНК към протеини по схемата ДНК → ДНК (репликация, създаване на копие на ДНК), ДНК → РНК ( транскрипция, копиране на гени), РНК → протеин (транслация, декодиране на информация за структурата на протеините). Тази догма е коригирана донякъде през 1970 г., като се вземат предвид натрупаните знания, тъй като феноменът на обратната транскрипция е открит независимо от Хауърд Темин и Дейвид Балтимор: открит е ензим, reversease, който е отговорен за обратната транскрипция - образуването на двойно- усукана ДНК върху едноверижна РНК матрица, която се среща в онкогенните вируси. Трябва да се отбележи, че строгото изискване за потока на генетична информация от нуклеиновите киселини към протеините все още остава в основата на молекулярната биология.

През 1957 г. Александър Сергеевич Спирин, заедно с Андрей Николаевич Белозерски, показват, че при значителни разлики в нуклеотидния състав на ДНК от различни организми, съставът на общите РНК е подобен. Въз основа на тези данни те стигнаха до сензационното заключение, че общата РНК на клетката не може да действа като носител на генетична информация от ДНК към протеини, тъй като не съвпада с нея по състав. В същото време те забелязаха, че има малка част от РНК, която напълно съответства по своя нуклеотиден състав на ДНК и която може да бъде истински носител на генетична информация от ДНК към протеини. В резултат на това те предсказаха съществуването на относително малки РНК молекули, които са структурно аналогични отделни зониДНК и действа като посредник при трансфера на генетична информация, съдържаща се в ДНК, към рибозомата, където протеиновите молекули се синтезират, използвайки тази информация. През 1961 г. (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson от една страна и F. Gros, Francois Jacob и Jacques Monod са първите, които получават експериментално потвърждение за съществуването на такива молекули - информационна (информационна) РНК. същевременно те разработиха концепцията и модела на функционалната единица на ДНК - оперона, което позволи да се обясни точно как се извършва регулацията на генната експресия в прокариотите.Изследването на механизмите на биосинтезата на протеини и принципите на структурата организацията и работата на молекулярни машини - рибозоми - направи възможно формулирането на постулат, описващ движението на генетичната информация, наречен централната догма на молекулярната биология: ДНК - иРНК е протеин.

През 1961 г. и през следващите няколко години Хайнрих Матай и Маршал Ниренберг, а след това Хар Корана и Робърт Холи извършват няколко работи за дешифриране на генетичния код, в резултат на което се установява пряка връзка между структурата на ДНК и синтезирани протеини и нуклеотидната последователност, която определя набор от аминокиселини в протеин. Получени са и данни за универсалността на генетичния код. Откритията са удостоени с Нобелова награда през 1968 г.

За развитието на съвременните идеи за функциите на РНК решаващо беше откриването на некодиращи РНК, базирано на резултатите от работата на Александър Сергеевич Спирин заедно с Андрей Николаевич Белозерски през 1958 г., Чарлз Бренер и съавтори и Саул Шпигелман през 1961 г. Този тип РНК съставлява по-голямата част от клетъчната РНК. Некодиращите РНК включват предимно рибозомни РНК.

Методите за култивиране и хибридизиране на животински клетки са получили значително развитие. През 1963 г. Франсоа Джейкъб и Сидни Бренер формулират идеята за репликон - последователност от присъщи репликиращи се гени, която обяснява важни аспекти на регулирането на генната репликация.

През 1967 г. в лабораторията на А. С. Спирин за първи път беше демонстрирано, че формата на компактно нагъната РНК определя морфологията на рибозомната частица.

През 1968 г. е направено значително фундаментално откритие. Okazaki, след като открива ДНК фрагменти от изоставащата верига, докато изучава процеса на репликация, наименува Okazaki фрагменти след нея, изяснява механизма на репликация на ДНК.

През 1970 г. Хауърд Темин и Дейвид Балтимор независимо един от друг правят важно откритие: те откриват ензима ревертаза, който е отговорен за обратната транскрипция - образуването на двойноверижна ДНК върху едноверижна РНК матрица, което се среща в онкогенни вируси, съдържащи РНК.

Друго важно постижение на молекулярната биология е обяснението на механизма на мутациите на молекулярно ниво. В резултат на поредица от изследвания бяха установени основните видове мутации: дупликации, инверсии, делеции, транслокации и транспозиции. Това направи възможно разглеждането на еволюционните промени от гледна точка на генните процеси и направи възможно разработването на теорията за молекулярните часовници, която се използва във филогенезата.

До началото на 70-те години бяха формулирани основните принципи на функциониране на нуклеиновите киселини и протеините в живия организъм. Установено е, че протеините и нуклеиновите киселини в тялото се синтезират с помощта на матричен механизъм; матричната молекула носи криптирана информация за последователността на аминокиселините (в протеина) или нуклеотидите (в нуклеиновата киселина). По време на репликация (дупликация на ДНК) или транскрипция (синтез на иРНК), ДНК служи като такава матрица; по време на транслация (синтез на протеин) или обратна транскрипция, иРНК служи като такава матрица.

По този начин бяха създадени теоретични предпоставки за развитието на приложни области на молекулярната биология, по-специално на генното инженерство. През 1972 г. Пол Берг, Хърбърт Боер и Стенли Коен разработват технология за молекулярно клониране. Тогава те първи получиха рекомбинантна ДНК in vitro. Тези изключителни експерименти поставиха основите на генното инженерство и тази година се счита за рождена дата на тази научна област.

През 1977 г. Фредерик Сангер и независимо Алън Максам и Уолтър Гилбърт разработват различни методиопределяне на първичната структура (секвениране) на ДНК. Методът Sanger, така нареченият метод за прекъсване на веригата, е в основата на съвременното секвениране. Принципът на секвениране се основава на използването на белязани бази, които действат като терминатори в реакция на кръгово секвениране. Този метод стана широко разпространен поради способността си за бързо извършване на анализ.

1976 - Фредерик. Sanger дешифрира нуклеотидната последователност на ДНК на фага φΧ174 с дължина 5375 нуклеотидни двойки.

1981 г. - Сърповидно-клетъчната болест става първата генетично заболяване, диагностициран чрез ДНК анализ.

1982-1983 г. откриването на каталитичната функция на РНК в американските лаборатории на Т. Чек и С. Алтман промени съществуващата идея за изключителната роля на протеините. По аналогия с каталитичните протеини - ензими, каталитичните РНК бяха наречени рибозими.

1987 Keri Mullez открива полимеразната верижна реакция, благодарение на която е възможно изкуствено да се увеличи значително броят на ДНК молекулите в разтвор за по-нататъшна работа. Днес това е един от най-важните методи на молекулярната биология, използван при изследване на наследствени и вирусни заболявания, в изследването на гените и в генетичната идентификация и установяване на родство и др.

През 1990 г. три групи учени едновременно публикуват метод, който дава възможност за бързо получаване на синтетична функционално активна РНК (изкуствени рибозими или молекули, които взаимодействат с различни лиганди - аптамери) в лаборатория. Този метод се нарича „еволюция ин витро“. И скоро след това, през 1991-1993 г. в лабораторията на А.Б. Quadruple експериментално демонстрира възможността за съществуване, растеж и амплификация на РНК молекули под формата на колонии върху твърда среда.

През 1998 г., почти едновременно, Крейг Мело и Андрю Файър описаха механизъм, наблюдаван преди това по време на генни експерименти с бактерии и цветя РНК интерференция, при което малка двуверижна РНК молекула води до специфично потискане на генната експресия.

Откриването на механизма на РНК интерференцията има много важно практическо значение за съвременната молекулярна биология. Този феномен се използва широко в научните експерименти като инструмент за „изключване“, тоест потискане на експресията на отделни гени. От особен интерес е фактът, че този метод позволява обратимо (временно) потискане на активността на изследваните гени. Провеждат се изследвания за възможността за използване на този феномен за лечение на вирусни, туморни, дегенеративни и метаболитни заболявания. Трябва да се отбележи, че през 2002 г. бяха открити мутантни полиомиелитни вируси, които успяха да избегнат РНК интерференция, така че е необходима по-усърдна работа, за да се разработи наистина ефективни методилечение, базирано на този феномен.

През 1999-2001 г. няколко групи изследователи определят структурата на бактериалната рибозома с разделителна способност от 5,5 до 2,4 ангстрьома.

Вещ

Постиженията на молекулярната биология в познаването на живата природа са трудни за надценяване. Голям успех е постигнат благодарение на успешна изследователска концепция: сложните биологични процеси се разглеждат от гледна точка на отделни молекулярни системи, което позволява използването на прецизни физикохимични методи за изследване. Това привлече и много велики умове от сродни области в тази област на науката: химия, физика, цитология, вирусология, което също имаше благоприятен ефект върху мащаба и скоростта на развитие научно познаниев тази област. Такива значими открития като определяне на структурата на ДНК, дешифриране на генетичния код и изкуствено насочена модификация на генома позволиха значително по-добре да се разберат спецификите на процесите на развитие на организмите и успешно да се решат множество важни фундаментални и приложни научни, медицински и социални проблеми, които не толкова отдавна се смятаха за неразрешими.

Предмет на изучаване на молекулярната биология са основно протеини, нуклеинови киселини и молекулярни комплекси (молекулярни машини) на тяхна основа и процесите, в които участват.

Нуклеиновите киселини са линейни полимери, състоящи се от нуклеотидни единици (съединения на петчленна захар с фосфатна група при петия атом на цикъла и една от четирите азотни бази), свързани помежду си чрез естерна връзка от фосфатни групи. Така нуклеиновата киселина е пентозофосфатен полимер с азотни основи като странични заместители. Химичен съставРНК веригите се различават от ДНК по това, че първата се състои от петчленен цикъл на въглехидратната рибоза, докато втората се състои от производно на дехидроксирибоза, дезоксирибоза. Освен това пространствено тези молекули се различават радикално, тъй като РНК е гъвкава едноверижна молекула, докато ДНК е двойноверижна молекула.

Протеините са линейни полимери, които представляват вериги от алфа аминокиселини, свързани помежду си с пептидни връзки, откъдето идва и второто им име – полипептиди. Естествените протеини съдържат много различни аминокиселинни единици - до 20 при хората - което определя голямо разнообразие от функционални свойства на тези молекули. Някои протеини участват в почти всеки процес в тялото и изпълняват много задачи: те играят ролята на клетъчен строителен материал, осигуряват транспорт на вещества и йони, катализират химична реакция, - този списък е много дълъг. Протеините образуват стабилни молекулярни конформации на различни нива на организация (вторични и третични структури) и молекулярни комплекси, което допълнително разширява тяхната функционалност. Тези молекули могат да имат висока специфичност за изпълнение на определени задачи поради образуването на сложна пространствена глобуларна структура. Голямото разнообразие от протеини осигурява постоянния интерес на учените към този тип молекули.

Съвременните идеи за предмета на молекулярната биология се основават на обобщение, представено за първи път през 1958 г. от Франсис Крик като централна догма на молекулярната биология. Неговата същност беше твърдението, че генетичната информация в живите организми преминава през строго определени етапи на внедряване: копиране от ДНК в ДНК на входа на наследството, от ДНК в РНК и след това от РНК в протеин, като обратният преход не е възможен. Това твърдение беше само отчасти вярно, така че централната догма впоследствие беше коригирана с оглед на новите данни, които се появиха.

Към момента са известни няколко начина за внедряване на генетичен материал, представляващи различни последователности на внедряване три виданаличие на генетична информация: ДНК, РНК и протеин. На девет възможни начиниреализациите са разделени на три групи: това са три общи трансформации (общи), които се срещат нормално в повечето живи организми; три специални трансформации (спец.), извършени в някои вируси или в спец лабораторни условия; три неизвестни трансформации (неизвестни), изпълнението на които се счита за невъзможно.

Общите трансформации включват следните начини за внедряване на генетичния код: ДНК→ДНК (репликация), ДНК→РНК (транскрипция), РНК→протеин (транслация).

За да извършат предаването на наследствени характеристики, родителите трябва да предадат пълна ДНК молекула на своите потомци. Процесът, чрез който може да се синтезира точно копие от оригиналната ДНК и следователно може да се прехвърли генетичен материал, се нарича репликация. Осъществява се от специални протеини, които разплитат молекулата (изправят нейния участък), развиват двойната спирала и с помощта на ДНК полимераза създават точно копие на оригиналната ДНК молекула.

За да осигури живота на една клетка, тя трябва постоянно да се обръща към генетичния код, вграден в двойната спирала на ДНК. Въпреки това, тази молекула е твърде голяма и тромава, за да бъде използвана като директен източник на генетичен материал за непрекъснат протеинов синтез. Следователно в процеса на внедряване на информацията, съдържаща се в ДНК, има междинен етап: синтеза на иРНК, която е малка едноверижна молекула, комплементарна на определен сегмент от ДНК, кодиращ определен протеин. Процесът на транскрипция се осъществява от РНК полимераза и транскрипционни фактори. След това получената молекула може лесно да бъде доставена до частта от клетката, отговорна за протеиновия синтез - рибозомата.

След като РНК навлезе в рибозомата, започва последният етап на внедряване на генетичната информация. В този случай рибозомата чете генетичния код от иРНК в триплети, наречени кодони и синтезира съответния протеин въз основа на получената информация.

По време на специални трансформации генетичният код се изпълнява по схемата РНК→РНК (репликация), РНК→ДНК (обратна транскрипция), ДНК→протеин (директна транслация). Репликацията от този тип се среща в много вируси, където се осъществява от ензима РНК-зависима РНК полимераза. Подобни ензими се намират в еукариотните клетки, където те са свързани с процеса на заглушаване на РНК. Обратната транскрипция се среща при ретровирусите, където се осъществява под действието на ензима обратна транскриптаза, а също и в някои случаи при еукариотни клетки, например, по време на теломерния синтез. Излъчването на живо се извършва само в изкуствени условия в изолирана система извън клетката.

Всеки от трите възможни прехода на генетична информация от протеин към протеин, РНК или ДНК се счита за невъзможен. Случаят на ефекта на прионите върху протеините, в резултат на който се образува подобен прион, може условно да се припише на вида на внедряване на генетична информация протеин → протеин. Формално обаче не е такъв, тъй като не засяга аминокиселинната последователност в протеина.

Интересна е историята на произхода на термина „централна догма“. Тъй като думата догма най-общо означава твърдение, което не подлежи на съмнение, а самата дума има ясни религиозни конотации, изборът й като описание на научен факт не е съвсем легитимен. Според самия Франсис Крик това е неговата грешка. Той искаше да придаде на предложената теория по-голямо значение, да я разграничи от други теории и хипотези; Защо реши да използва тази величествена, според него, дума, без да разбере истинското й значение? Името обаче остана.

Молекулярната биология днес

Бързото развитие на молекулярната биология, постоянният обществен интерес към напредъка в тази област и обективното значение на изследванията доведоха до появата на голям брой големи изследователски центрове по молекулярна биология по света. Сред най-големите трябва да се посочат: Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж, Кралският институт в Лондон - във Великобритания; институти по молекулярна биология в Париж, Марсилия и Страсбург, Институт Пастьор - във Франция; катедри по молекулярна биология в Харвардския университет и Масачузетския технологичен институт, Университета Бъркли, Калифорнийския технологичен институт, Университета Рокфелер и Здравния институт Бетесда – в САЩ; Институти Макс Планк, Университети в Гьотинген и Мюнхен, Централен институт по молекулярна биология в Берлин, Институти в Йена и Хале – в Германия; Каролинска институт в Стокхолм, Швеция.

В Русия водещи центрове в тази област са Институтът по молекулярна биология на името на. V.A. Engelhardt RAS, Институт по молекулярна генетика RAS, Институт по генна биология RAS, Институт по физико-химическа биология на името на. А. Н. Белозерски Московски държавен университет на името на. М. В. Ломоносов, Институт по биохимия на името на. A.N.Bach RAS и Института по протеин RAS в Пущино.

Днес областта на интереси на молекулярните биолози обхваща широк обхватфундаментален научни въпроси. Водещата роля все още се заема от изследването на структурата на нуклеиновите киселини и биосинтезата на протеини, изследването на структурата и функциите на различни вътреклетъчни структури и клетъчни повърхности. Също така важни области на изследване са изучаването на механизмите за приемане и предаване на сигнала, молекулярни механизмитранспорт на съединения вътре в клетката, както и от клетката към външната среда и обратно. Сред основните направления на научните изследвания в областта на приложната молекулярна биология един от най-приоритетните е проблемът за възникването и развитието на туморите. Също така много важна област, изучавана от клона на молекулярната биология - молекулярната генетика - е изследването на молекулярната основа на появата на наследствени заболяванияи вирусни заболявания, като СПИН, както и разработването на начини за предотвратяването им и, евентуално, лечението им на генно ниво. Откритията и разработките на молекулярните биолози в съдебна медицина. Истинска революция в областта на личната идентификация беше направена през 80-те години от учени от Русия, САЩ и Великобритания благодарение на разработването и внедряването в ежедневната практика на метода „геномен пръстов отпечатък“ - идентифициране на индивид по ДНК. Изследванията в тази област не спират и до днес; съвременните методи позволяват да се установи самоличността на човек с вероятност за грешка от една милиардна част от процента. Вече е в ход активно разработване на проект за генетичен паспорт, който се очаква значително да намали престъпността.

Методика

Днес молекулярната биология разполага с обширен арсенал от методи, които й позволяват да решава най-напредналите и най-сложни проблеми, пред които са изправени учените.

Един от най-разпространените методи в молекулярната биология е гел електрофореза, което решава проблема с разделянето на смес от макромолекули по размер или заряд. Почти винаги след разделяне на макромолекули в гел се използва блотиране, метод, който позволява макромолекулите да бъдат прехвърлени от гела (сорбирани) към повърхността на мембраната за удобство на по-нататъшна работа с тях, по-специално хибридизация. Хибридизацията - образуването на хибридна ДНК от две вериги от различно естество - е метод, който играе важна роля в фундаментални изследвания. Използва се за определяне допълващи сесегменти в различна ДНК (ДНК на различни видове), използва се за търсене на нови гени, с негова помощ е открита РНК интерференция и принципът му е в основата на геномния пръстов отпечатък.

Основна роля в съвременната практика на молекулярно-биологичните изследвания играе методът на секвениране – определяне на последователността на нуклеотидите в нуклеиновите киселини и аминокиселините в белтъците.

Съвременната молекулярна биология не може да се представи без полимеразния метод. верижна реакция(PCR). Благодарение на този метод се увеличава (амплифициране) броят на копията на определена ДНК последователност, за да се получи от една молекула достатъчно количество вещество за по-нататъшна работа с него. Подобен резултат се постига чрез технологията за молекулярно клониране, при която необходимата нуклеотидна последователност се въвежда в ДНК на бактерии (живи системи), след което размножаването на бактериите води до желания резултат. Този подход е технически много по-сложен, но позволява едновременно да се получи резултатът от експресията на изследваната нуклеотидна последователност.

Също така в молекулярно-биологичните изследвания се използват широко методи на ултрацентрофугиране (за разделяне на макромолекули (големи количества), клетки, органели), методи на електронна и флуоресцентна микроскопия, спектрофотометрични методи, рентгенов дифракционен анализ, авторадиография и др.

Благодарение на технологичния прогрес и научните изследвания в областта на химията, физиката, биологията и компютърните науки, модерното оборудване прави възможно изолирането, изследването и промяната на отделни гени и процесите, в които участват.