Lezione 1. Concetto biologia molecolare e le fasi principali del suo sviluppo

Definizione della materia biologia molecolare

Il termine “biologia molecolare” deriva dal premio Nobel Francis Crick, che “stanco di dichiararsi un misto di cristallografo, biochimico, biofisico e genetista quando gli viene chiesto della sua professione”.

Dopo il bombardamento atomico di Hiroshima e Nagasaki nel 1945, gli scienziati iniziarono a fuggire dalla fisica, e nel 1947 vincitore del Nobel il fisico Erwin Schrödinger ha scritto il libro “Cos’è la vita dal punto di vista del fisico?”, che ha attirato molti fisici e matematici verso la biologia.

Definizione del concetto

La biologia molecolare è la scienza dei meccanismi di immagazzinamento, riproduzione, trasmissione e implementazione dell'informazione genetica, della struttura e delle funzioni dei biopolimeri irregolari: acidi nucleici e proteine.

Partendo dallo studio dei processi biologici a livello atomico-molecolare, la biologia molecolare è passata alle complesse strutture cellulari supramolecolari e attualmente risolve con successo problemi di genetica, fisiologia, evoluzione ed ecologia.

Principali tappe dello sviluppo della biologia molecolare

1. Primo periodo romantico 1935-1944

Max Delbrück e Salvador Luria hanno studiato la riproduzione di fagi e virus, che sono complessi di acidi nucleici con proteine.

Nel 1940, George Beadle e Edward Tatum formularono l’ipotesi “un gene, un enzima”. Tuttavia non era ancora noto cosa fosse un gene in termini fisico-chimici.

2. Secondo periodo romantico 1944-1953

Il ruolo genetico del DNA è stato dimostrato. Nel 1953 apparve il modello della doppia elica del DNA, per il quale i suoi creatori James Watson, Francis Crick e Maurice Wilkins ricevettero il Premio Nobel.

3. Periodo dogmatico 1953-1962

Il dogma centrale della biologia molecolare è formulato:

Il trasferimento dell’informazione genetica va nella direzioneDNA → RNA → proteina.

Nel 1962 fu decifrato codice genetico.

4. Periodo accademico dal 1962 ad oggi, in cui dal 1974 sono presenti sottoperiodo dell’ingegneria genetica.

Occ nonovna e scoperte

1944 . Prova del ruolo genetico del DNA. Oswald Avery, Colin McLeod, McLean McCarthy.

1953 . Stabilire la struttura del DNA. James Watson, Francis Crick.

1961 . Scoperta della regolazione genetica della sintesi enzimatica. Andre Lvov, François Jacob, Jacques Monod.

1962 . Decodificare il codice genetico. Marshall Nirnberg, Heinrich Mattei, Severo Ochoa.

1967 Sintesi InvitroDNA biologicamente attivo. Arthur Kornberg (leader informale della biologia molecolare).

1970 . Sintesi genetica chimica. Gobind del Corano.

1970 . Scoperta dell'enzima trascrittasi inversa e del fenomeno della trascrizione inversa. Howard Temin, David Baltimora, Renato Dulbecco.

1974 . Scoperta degli enzimi di restrizione. Hamilton Smith, Daniel Nathans, Werner Arber.

1978 . Scoperta dello splicing. Filippo Sharp.

1982 . Scoperta dell'autosplicing. ThomasCheck.

Prova del ruolo genetico degli acidi nucleici

1 . 1928. Gli esperimenti di Frederick Griffith.

Griffith ha lavorato con pneumococchi- batteri che causano la polmonite. Ha preso due ceppi di pneumococchi: capsulare e non capsulare. Capsulare - patogeno (virulento), se infettati da questo ceppo, i topi muoiono, non capsulari - non patogeni. Quando ai topi veniva iniettata una miscela di pneumococchi capsulari uccisi dal calore (e, quindi, perdita di virulenza) e batteri vivi non capsulari e non virulenti, gli animali morivano a causa della proliferazione di forme capsulari virulente. Griffith interpretò il fenomeno scoperto come una trasformazione.

Definizione:

La trasformazione è l'acquisizione da parte di un organismo di alcune caratteristiche di un altro organismo grazie alla cattura di parte della sua informazione genetica.

Nel 1944 questo esperimento fu ripetuto da Oswald Avery, Colin McLeod e McLean McCarthy nella variante di miscelazione di pneumococchi acapsulari con proteine, polisaccaridi o DNA prelevati da quelli capsulari. Come risultato di questo esperimento, è stata rivelata la natura del fattore di trasformazione.

Il DNA si è rivelato il fattore di trasformazione.

2 . Esperimento di Alfred Hershey e Martha Chase del 1952. I fagi (batteriofagi) sono virus che si riproducono nei batteri. E. coli - coli(eubatteri).

L'essenza dell'esperienza:fagi in cui il rivestimento proteico era marcato con zolfo radioattivo ( S35 ) e DNA con fosforo radioattivo (P 32), è stato incubato con batteri. I batteri sono stati poi lavati via.

P 32 non è stato rilevato nell'acqua di scarico, ma nei batteri - S35 . Quindi, All'interno è entrato solo il DNA. Dopo pochi minuti, dai batteri sono emersi dozzine di fagi completi contenenti sia un guscio proteico che DNA.

Ciò ha portato alla chiara conclusione che È il DNA che svolge una funzione genetica: trasporta informazioni sulla creazione di nuove copie di DNA, zecche e sulla sintesi delle proteine ​​​​fagiche.

3 . Esperimenti di Frenkel-Konrath del 1957.

Frenkel-Konrath ha lavorato con il virus del mosaico del tabacco (TMV). Questo virus contiene RNA, non DNA. Era noto che diversi ceppi del virus causano diversi modelli di danno alle foglie di tabacco. Dopo aver cambiato l’involucro proteico, i virus “camuffati” provocavano un modello di lesione caratteristico del ceppo il cui RNA era ricoperto da una proteina estranea.

Quindi, Non solo il DNA, ma anche l'RNA può fungere da portatore di informazioni genetiche.

Oggi esistono centinaia di migliaia di prove del ruolo genetico degli acidi nucleici. I tre precedenti sono classici.

La biologia molecolare ha vissuto un periodo di rapido sviluppo dei propri metodi di ricerca, che ora si differenziano dalla biochimica. Tra questi figurano in particolare i metodi dell'ingegneria genetica, la clonazione, l'espressione artificiale e l'eliminazione genetica. Poiché il DNA è il vettore materiale dell'informazione genetica, la biologia molecolare si è avvicinata significativamente alla genetica e all'incrocio si è formata la genetica molecolare, che è sia una branca della genetica che della biologia molecolare. Proprio come la biologia molecolare utilizza ampiamente i virus come strumento di ricerca, la virologia utilizza metodi di biologia molecolare per risolvere i suoi problemi. La tecnologia informatica viene utilizzata per analizzare le informazioni genetiche e quindi sono emerse nuove aree della genetica molecolare, che a volte sono considerate discipline speciali: la bioinformatica, la genomica e la proteomica.

Storia dello sviluppo

Questa scoperta fondamentale è stata preparata da un lungo periodo di ricerca sulla genetica e sulla biochimica di virus e batteri.

Nel 1928, Frederick Griffith dimostrò per primo che un estratto di calore uccide batteri patogeni possono trasmettere patogenicità a batteri non pericolosi. Lo studio della trasformazione batterica ha successivamente portato alla purificazione dell'agente patogeno che, contrariamente alle aspettative, si è rivelato non una proteina, ma un acido nucleico. L'acido nucleico in sé non è pericoloso; trasporta solo geni che determinano la patogenicità e altre proprietà del microrganismo.

Negli anni '50 del XX secolo fu dimostrato che i batteri hanno un processo sessuale primitivo e sono in grado di scambiare DNA e plasmidi extracromosomici. La scoperta dei plasmidi, così come la trasformazione, ha costituito la base della tecnologia dei plasmidi, diffusa nella biologia molecolare. Un'altra scoperta importante per la metodologia è stata la scoperta di virus batterici e batteriofagi all'inizio del XX secolo. I fagi possono anche trasferire materiale genetico da una cellula batterica a un'altra. L'infezione dei batteri da parte dei fagi porta a cambiamenti nella composizione dell'RNA batterico. Se senza fagi la composizione dell'RNA è simile alla composizione del DNA batterico, dopo l'infezione l'RNA diventa più simile al DNA di un batteriofago. Pertanto, è stato stabilito che la struttura dell'RNA è determinata dalla struttura del DNA. A sua volta, la velocità di sintesi proteica nelle cellule dipende dalla quantità di complessi RNA-proteina. Ecco come è stato formulato dogma centrale della biologia molecolare: DNA ↔ RNA → proteina.

L'ulteriore sviluppo della biologia molecolare è stato accompagnato sia dallo sviluppo della sua metodologia, in particolare dall'invenzione di un metodo per determinare la sequenza nucleotidica del DNA (W. Gilbert e F. Sanger, Premio Nobel per la chimica 1980), sia da nuove scoperte nel campo della ricerca sulla struttura e sul funzionamento dei geni (vedi Storia della genetica). All’inizio del 21° secolo erano stati ottenuti dati sulla struttura primaria di tutto il DNA negli esseri umani e in numerosi altri organismi, i più importanti per la medicina, l’agricoltura e ricerca scientifica, che ha portato all'emergere di diverse nuove direzioni in biologia: genomica, bioinformatica, ecc.

Guarda anche

• Biologia Molecolare (rivista)
• Trascrittomica
• Paleontologia molecolare
• EMBO- organizzazione europea biologi molecolari

Letteratura

• Il cantante M., Berg P. Geni e genomi. - Mosca, 1998.
• Stent G., Kalindar R. Genetica molecolare. - Mosca, 1981.
• Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Clonazione molecolare. - 1989.
• Patrushev L.I. Espressione genica. - M.: Nauka, 2000. - 000 p., illustrato. ISBN 5-02-001890-2

Collegamenti

• Materiali sulla biologia molecolare dell'Accademia delle scienze russa

Fondazione Wikimedia. 2010.

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• Distretto di Arzamas della regione di Nizhny Novgorod

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BIOLOGIA MOLECOLARE, studio dettagliato delle cellule viventi e dei loro componenti(organelli), tracciando il ruolo dei singoli composti identificabili nel funzionamento di queste strutture. Il campo della biologia molecolare comprende lo studio di tutti i processi associati alla vita, come nutrizione ed escrezione, respirazione, secrezione, crescita, riproduzione, invecchiamento e morte. Il risultato più importante della biologia molecolare è la decifrazione del codice genetico e la spiegazione del meccanismo con cui una cellula utilizza le informazioni necessarie, ad esempio, per la sintesi degli enzimi. La ricerca biologica molecolare contribuisce anche a una comprensione più completa di altri processi vitali: fotosintesi, respirazione cellulare e attività muscolare.

Nella biologia molecolare si preferisce lavorare con sistemi relativamente semplici, come organismi unicellulari (batteri, alcune alghe), in cui il numero di componenti è relativamente piccolo e quindi più facile da distinguere. Ma anche questo richiede metodi molto sofisticati per localizzare con precisione le singole sostanze e distinguerle da tutte le altre.

Sulla base di approcci e strumenti fisico-chimici, sono stati sviluppati strumenti e metodi complessi e sensibili, adattati per funzionare composti organici sistemi viventi. Il metodo dell'autoradiografia si basa sull'inclusione di atomi radioattivi, i cosiddetti, in alcune sostanze. “etichetta radioattiva”, che permette di tracciare – mediante le radiazioni emesse – le trasformazioni chimiche di queste sostanze. Quando si studiano sostanze a basso peso molecolare, vengono utilizzati metodi che consentono di combinare piccole molecole di una sostanza nel cosiddetto. macromolecole abbastanza grandi da poter essere osservate ad alto ingrandimento in un microscopio elettronico a trasmissione. Determinare mediante diffrazione dei raggi X forma generale macromolecole, come è stato fatto, ad esempio, con l’acido desossiribonucleico (DNA). Per separare una miscela di sostanze che differiscono per dimensioni e composizione chimica, differenze nella velocità del loro movimento in un campo elettrico (metodo dell'elettroforesi) o diverse velocità di diffusione in un solvente che scorre attraverso una fase stazionaria, come la carta (metodo della cromatografia) , sono usati.

Utilizzando enzimi appropriati, è possibile determinare la sequenza nucleotidica dei geni e da essa la sequenza aminoacidica delle proteine ​​sintetizzate. Se negli animali tipi diversi Le sequenze nucleotidiche dei geni che codificano per proteine ​​​​a loro comuni, ad esempio l'emoglobina, sono vicine, possiamo concludere che in passato questi animali avevano un antenato comune. Se le differenze nei loro geni sono grandi, allora è chiaro che la divergenza delle specie da un antenato comune è avvenuta molto prima. Tali studi di biologia molecolare hanno aperto un nuovo approccio allo studio dell'evoluzione degli organismi.

Un contributo importante alla medicina dovrebbe essere dato dall’identificazione dei virus in base alla loro composizione. Con il suo aiuto è possibile, ad esempio, stabilire che un virus che causa una particolare malattia nell'uomo si annida naturalmente in qualche animale selvatico, da cui la malattia viene trasmessa all'uomo. Se non vengono rilevati sintomi della malattia negli animali che fungono da serbatoio di questo virus in natura, allora, a quanto pare, qui è all'opera una sorta di meccanismo immunitario, e quindi si presenta un nuovo compito: studiare questo meccanismo per provare per includerlo sistema immunitario persona.

BIOLOGIA MOLECOLARE tardi lat. molecola, diminutivo del lat. massa delle moli; biologia) è una scienza medica e biologica che studia i fenomeni della vita a livello delle macromolecole biologiche - proteine ​​e acidi nucleici, come sistemi semplici, come strutture prive di cellule, virus e, come limite, a livello cellulare. La maggior parte di questi oggetti sono inanimati o dotati di manifestazioni elementari di vita. La posizione di M. b. nel sistema biol, la scienza è determinata dalle idee sui livelli strutturali della materia vivente, cioè forme di vita sviluppate evolutivamente, che iniziano con passaggi prebiotici e terminano con sistemi complessi: piccole molecole organiche - macromolecole - strutture cellulari e subcellulari - organismo, ecc., anche in Crimea si stanno costruendo rispettivamente i livelli di conoscenza. Storicamente M. b. formato a seguito dello studio delle macromolecole biologiche, grazie alle quali M. b. è considerata una sezione della biochimica (vedi). M.b. è, allo stesso tempo, una scienza di frontiera nata all'intersezione tra biochimica, biofisica (vedi), chimica organica (vedi), citologia (vedi) e genetica (vedi). Idea M.b. consiste nel rivelare i meccanismi elementari dei processi fondamentali della vita - ereditarietà (vedi), variabilità (vedi), movimento, ecc. - attraverso lo studio del biol, delle macromolecole. Bio molecolare. le idee trovarono terreno fertile soprattutto nella genetica: nacque la genetica molecolare (vedi), e fu qui che furono raggiunti risultati che contribuirono allo sviluppo di M. b. e il riconoscimento dei suoi principi. Rappresentazioni di M. b. hanno valore euristico (cognitivo), perché a tutti i livelli di sviluppo della materia vivente, esistono e operano bioli, macromolecole - proteine ​​(vedi) e acidi nucleici (vedi). Per questo motivo i confini di M. b. difficile da definire: risulta essere una scienza onnipervasiva.

Il nome stesso “biologia molecolare” appartiene agli inglesi. cristallografo WT Astbury. La data formale dell'apparizione di M. b. Considerano il 1953, quando J. Watson e F. Crick stabilirono la struttura del DNA e fecero un'ipotesi, successivamente confermata, sul meccanismo della sua replicazione che è alla base dell'ereditarietà. Ma avanti almeno dal 1944, a partire dai lavori di Avery (O. Th. Avery), si sono accumulati fatti che indicano il ruolo genetico del DNA; N.K. Koltsov espresse l'idea della sintesi della matrice in una forma molto chiara già nel 1928; lo studio delle basi molecolari della contrazione muscolare iniziò con i lavori di V. A. Engelhardt e M. N. Lyubimova, pubblicati nel 1939-1942. M.b. sviluppato anche nel campo degli studi e della sistematica evoluzionistica. Nell'URSS, l'iniziatore dello studio degli acidi nucleici e della ricerca sui fondamenti molecolari dell'evoluzione fu A. N. Belozersky.

Una caratteristica distintiva di M. b. consiste nella natura delle osservazioni, nelle sue tecniche metodologiche e nella progettazione dell'esperimento. M.b. costretto i biologi a dare uno sguardo nuovo alle basi materiali della vita. Per biolo molecolare. La ricerca è caratterizzata dal confronto tra biolo e funzioni con la chimica. e fisico caratteristiche (proprietà) dei biopolimeri e in particolare la loro struttura spaziale.

Per comprendere le leggi della struttura degli acidi nucleici e il loro comportamento nella cellula, è della massima importanza il principio della complementarità delle basi nelle strutture a due filamenti degli acidi nucleici, stabilito nel 1953 da J. Watson e F. Crick. del significato relazioni spaziali ha trovato la sua espressione nell'idea di complementarità delle superfici delle macromolecole e dei complessi molecolari, componente condizione necessaria manifestazioni di forze deboli che agiscono solo su brevi distanze e contribuiscono alla creazione di morfolo, diversità di biolo. strutture, la loro mobilità funzionale. Queste forze deboli sono coinvolte nella formazione di complessi come enzima - substrato, antigene - anticorpo, ormone - recettore, ecc., nei fenomeni di autoassemblaggio di strutture biologiche, ad esempio i ribosomi, nella formazione di coppie di composti azotati basi in molecole di acidi nucleici, ecc. processi simili.

M.b. ha indirizzato l'attenzione dei biologi su oggetti semplici che si trovano ai confini della vita, ha introdotto idee e metodi precisi chimica e fisica. Il processo di mutazione è stato interpretato a livello molecolare come la perdita, l'inserimento e lo spostamento di segmenti di DNA, la sostituzione di una coppia di basi azotate in segmenti funzionalmente significativi del genoma (vedi Mutazione). I fenomeni di mutagenesi (vedi) furono, quindi, tradotti in chimica. lingua. Grazie ai metodi di M.. sono state rivelate le basi molecolari di processi genetici nei procarioti come ricombinazione (q.v.), trasduzione (q.v.), trasformazione (q.v.), trasfezione e sessuduzione. Sono stati compiuti progressi significativi nello studio della struttura della cromatina e dei cromosomi degli eucarioti; il miglioramento dei metodi di coltivazione e ibridazione delle cellule animali ha creato la possibilità di sviluppare la genetica delle cellule somatiche (vedi). La regolazione della replicazione del DNA è stata espressa nel concetto di replicone da F. Jacob e S. Brenner.

Nel campo della biosintesi proteica, il cosiddetto un postulato centrale che caratterizza il seguente movimento dell'informazione genetica: DNA -> RNA messaggero -> proteina. Secondo questo postulato, le proteine ​​sono una sorta di valvola informativa che impedisce il ritorno delle informazioni al livello di RNA e DNA. Nel processo di sviluppo di M. b. nel 1970, H. Temin e D. Baltimore scoprirono il fenomeno della trascrizione inversa (in natura, la sintesi del DNA avviene nei virus oncogenici contenenti RNA utilizzando uno speciale enzima: la trascrittasi inversa). Le sintesi di proteine ​​e acidi nucleici avvengono a seconda del tipo sintesi di matrice, affinché si verifichino, è necessaria una matrice (modello): la molecola polimerica originale, che predetermina la sequenza di nucleotidi (amminoacidi) nella copia sintetizzata. Tali modelli per la replicazione e la trascrizione sono il DNA e per la traduzione l'RNA messaggero. Il codice genetico (vedi) formula un modo per “registrare” le informazioni ereditarie nell'RNA messaggero; in altre parole, coordina la sequenza dei nucleotidi negli acidi nucleici e degli aminoacidi nelle proteine. La trascrizione è associata alla biosintesi proteica - la sintesi di RNA messaggeri su una matrice di DNA, catalizzata dalle RNA polimerasi; la traduzione è la sintesi di una proteina su RNA messaggero associato ad un ribosoma, che avviene secondo un meccanismo molto complesso, in cui sono coinvolte decine di proteine ​​ausiliarie e RNA di trasferimento (vedi Ribosomi). La regolazione della sintesi proteica è maggiormente studiata a livello di trascrizione ed è formulata nelle idee di F. Jacob e J. Monod sull'operone, proteine ​​​​repressore, effetto allosterico, regolazione positiva e negativa. Eterogenea nel contenuto e ancor meno completa delle precedenti, la sezione di M. b. è una serie di problemi di natura fondamentale e applicata. Questi includono la riparazione dei danni al genoma causati dalle radiazioni a onde corte, da agenti mutageni (vedi) e da altri fattori. Un'ampia area indipendente è costituita dagli studi sul meccanismo d'azione degli enzimi, basati su idee sulla struttura tridimensionale delle proteine ​​e sul ruolo delle sostanze chimiche deboli. interazioni. M.b. ha chiarito molti dettagli sulla struttura e sullo sviluppo dei virus, in particolare dei batteriofagi. Lo studio dell'emoglobina in persone affette da anemia falciforme (vedi) e altre emoglobinopatie (vedi) ha segnato l'inizio dello studio delle basi strutturali delle “malattie molecolari”, “errori” congeniti del metabolismo (vedi Malattie ereditarie). L'ultima branca dell'ingegneria genetica (vedi) sta sviluppando metodi per costruire strutture ereditarie sotto forma di molecole di DNA ricombinante.

In biologia molecolare. vengono utilizzati gli esperimenti vari modi cromatografia (vedi) e ultracentrifugazione (vedi), analisi diffrazione di raggi X (vedi), microscopia elettronica (vedi), spettroscopia molecolare (risonanza paramagnetica elettronica e magnetica nucleare). È iniziato l'uso della radiazione di sincrotrone (bremsstrahlung magnetica), della diffrazione di neutroni, della spettroscopia Mössbauer e della tecnologia laser. I sistemi modello e l'ottenimento di mutazioni sono ampiamente utilizzati negli esperimenti. L'uso di isotopi radioattivi e (in misura minore) pesanti è in M. b. ordinario metodo analitico, nonché l'uso di metodi matematici e computer. Se i primi biologi molecolari fossero guidati dal cap. arr. sul fisico metodi creati per lo studio di polimeri non bioli. origine, vi è ora una tendenza crescente verso l’uso di sostanze chimiche. metodi.

Per lo sviluppo di M. b. nell'URSS Grande importanza aveva una risoluzione del Comitato Centrale del PCUS e del Consiglio dei Ministri dell'URSS "Sulle misure per accelerare lo sviluppo della biologia molecolare e della genetica molecolare e l'uso dei loro risultati nell'economia nazionale", pubblicata il 20 maggio 1974. La ricerca è coordinata dal Consiglio tecnico-scientifico interdipartimentale sui problemi di biologia molecolare e di genetica molecolare presso il Comitato statale per la scienza e la tecnologia. Il Consiglio dei ministri dell'URSS e l'Accademia delle scienze dell'URSS, il Consiglio scientifico sui problemi di biologia molecolare dell'URSS. Accademia delle Scienze dell'URSS, consigli simili dell'Accademia delle Scienze delle repubbliche federate e accademie distaccate. Vengono pubblicate la rivista "Molecular Biology" (dal 1967) e una rivista di abstract con lo stesso nome. La ricerca su M. b. sono condotti negli istituti dell'Accademia delle scienze dell'URSS, dell'Accademia delle scienze mediche dell'URSS, delle accademie repubblicane delle scienze, dell'industria microbiologica principale e negli istituti di istruzione superiore del paese. Ci sono molti laboratori di questo profilo che operano nei paesi socialisti. In Europa sono presenti l’Organizzazione Europea di Biologia Molecolare (EMBO), il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (EMBL) di Heidelberg e la Conferenza Europea di Biologia Molecolare (EMBC). Esistono grandi laboratori specializzati negli Stati Uniti, in Francia, Gran Bretagna, Germania e altri paesi.

Periodici speciali dedicati ai problemi del M. b. all'estero: “Journal of Molecular Biology”, “Nucleic Acids Research”, “Molecular Biology Reports”, “Gene”.

Recensioni su M. b. pubblicati nella collana “Molecular Biology” di VINITI, in “Progress in Nucleic Acids Research and Molecular Biology”, “Progress in Biophysicals and Molecular Biology”, “Annual Review of Biochemistry”, pubblicazioni dei “Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology” ”.

Bibliografia: Ashmarin I.P. Biologia molecolare, Leningrado, 1977; Belozersky A. N. Biologia molecolare: una nuova fase di conoscenza della natura, M., 1970; Bresler S. E. Biologia molecolare, L., 1973; Koltsov N.K. Molecole ereditarie, Boll. Mosca test circa-va. natura, dipartimento biol., t.70, v. 4, pag. 75, 1965; Ottobre e la scienza, ed. AP Alexandrova et al., pag. 393, 417, M., 1977; Severin S.E. Problemi contemporanei biologia fisica e chimica, nel libro: 250 anni dell'Accademia delle scienze dell'URSS, p. 332, M., 1977; Watson J. Biologia molecolare: gene, trans. dall'inglese, M., 1978; Engelhardt V. A. Biologia molecolare, nel libro: Sviluppo di Biol, in URSS, ed. B. E. Bykhovsky, p. 598, M., 1967.

Possiamo dire che la biologia molecolare studia le manifestazioni della vita su strutture o sistemi non viventi con segni elementari di attività vitale (che possono essere singole macromolecole biologiche, loro complessi o organelli), studiando come si realizzano i processi chiave che caratterizzano la materia vivente attraverso interazioni chimiche e trasformazioni.

La separazione della biologia molecolare dalla biochimica in un campo scientifico indipendente è dettata dal fatto che il suo compito principale è studiare la struttura e le proprietà delle macromolecole biologiche coinvolte in vari processi e chiarire i meccanismi della loro interazione. La biochimica si occupa dello studio dei processi reali della vita, dei modelli del loro verificarsi in un organismo vivente e delle trasformazioni delle molecole che accompagnano questi processi. In definitiva, la biologia molecolare cerca di rispondere alla domanda sul perché avviene un particolare processo, mentre la biochimica risponde alle domande su dove e come, da un punto di vista chimico, avviene il processo in questione.

Storia

La biologia molecolare come branca separata della biochimica iniziò a prendere forma negli anni '30 del secolo scorso. Fu allora che, per una comprensione più profonda del fenomeno della vita, nacque la necessità di ricerche mirate a livello molecolare sui processi di immagazzinamento e trasmissione delle informazioni ereditarie negli organismi viventi. Quindi il compito della biologia molecolare è stato determinato nello studio della struttura, delle proprietà e dell'interazione degli acidi nucleici e delle proteine. Il termine “biologia molecolare” fu utilizzato per la prima volta dallo scienziato inglese William Astbury nel contesto di studi volti a chiarire le relazioni tra la struttura molecolare e le proprietà fisiche e biologiche delle proteine ​​fibrillari, come il collagene, la fibrina del sangue o le proteine ​​contrattili muscolari.

Agli albori della biologia molecolare, l’RNA era considerato un componente delle piante e dei funghi, mentre il DNA era considerato un componente tipico delle cellule animali. Il primo ricercatore a dimostrare che il DNA è contenuto nelle piante fu Andrei Nikolaevich Belozersky, che isolò il DNA dei piselli nel 1935. Questa scoperta stabilì il fatto che il DNA è un acido nucleico universale presente nelle cellule vegetali e animali.

Un risultato importante è stata l'istituzione, da parte di George Beadle e Edward Tatum, di una relazione diretta di causa-effetto tra geni e proteine. Nei loro esperimenti, hanno esposto cellule di Neurospora ( Neurosporacrassa) Radiazione a raggi X, che ha causato mutazioni. I risultati ottenuti hanno mostrato che ciò ha portato a cambiamenti nelle proprietà di enzimi specifici.

Nel 1940, Albert Claude isolò granuli contenenti RNA citoplasmatico dal citoplasma delle cellule animali, che erano più piccole dei mitocondri. Li chiamava microsomi. Successivamente, studiando la struttura e le proprietà delle particelle isolate, è stato stabilito il loro ruolo fondamentale nel processo di biosintesi proteica. Nel 1958, in occasione del primo simposio dedicato a queste particelle, si decise di chiamare queste particelle ribosomi.

Un altro passo importante nello sviluppo della biologia molecolare furono i dati dell'esperimento di Oswald Avery, Colin MacLeod e MacLean McCarthy pubblicati nel 1944, che dimostrarono che il DNA è la causa della trasformazione batterica. Questa è stata la prima prova sperimentale del ruolo del DNA nella trasmissione delle informazioni ereditarie, sfatando l'idea precedentemente prevalente della natura proteica dei geni.

All'inizio degli anni '50, Frederick Sanger dimostrò che una catena proteica è una sequenza unica di residui di amminoacidi. Alla fine degli anni '50 Max Perutz e John Kendrew decifrarono la struttura spaziale delle prime proteine. Già nel 2000 si conoscevano centinaia di migliaia di sequenze di aminoacidi naturali e migliaia di strutture spaziali delle proteine.

Nello stesso periodo, la ricerca di Erwin Chargaff gli permise di formulare regole che descrivono il rapporto delle basi azotate nel DNA (le regole stabiliscono che, indipendentemente dalle differenze di specie nel DNA, la quantità di guanina è uguale alla quantità di citosina e la quantità di l'adenina è uguale alla quantità di temina), che in seguito contribuì a compiere il più grande passo avanti nella biologia molecolare e uno dei più grandi scoperte nella biologia in generale.

Questo evento accadde nel 1953, quando James Watson e Francis Crick, basandosi sulle opere di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins Analisi strutturale a raggi X DNA, ha stabilito la struttura a doppio filamento della molecola di DNA. Questa scoperta ha permesso di rispondere alla domanda fondamentale sulla capacità di un portatore di informazioni ereditarie di riprodursi e di comprendere il meccanismo di trasmissione di tali informazioni. Questi stessi scienziati hanno formulato il principio di complementarità delle basi azotate, che è di fondamentale importanza per comprendere il meccanismo di formazione delle strutture supramolecolari. Questo principio, ora utilizzato per descrivere tutti i complessi molecolari, ci consente di descrivere e prevedere le condizioni per il verificarsi di interazioni intermolecolari deboli (non valenti), che determinano la possibilità della formazione di interazioni secondarie, terziarie, ecc. la struttura delle macromolecole, il corso dell'autoassemblaggio dei sistemi biologici supramolecolari, che determinano una così ampia varietà di strutture molecolari e i loro insiemi funzionali. Poi, nel 1953, sorsero Rivista scientifica Giornale di biologia molecolare. Era diretto da John Kendrew, la cui area di interesse scientifico era lo studio della struttura delle proteine ​​globulari (Premio Nobel nel 1962 insieme a Max Perutz). Una rivista simile in lingua russa chiamata “Biologia molecolare” è stata fondata nell’URSS da V. A. Engelhardt nel 1966.

Nel 1958 Francis Crick formulò il cosiddetto. il dogma centrale della biologia molecolare: l'idea dell'irreversibilità del flusso di informazioni genetiche dal DNA attraverso l'RNA alle proteine ​​secondo lo schema DNA → DNA (replicazione, creazione di una copia del DNA), DNA → RNA ( trascrizione, copia dei geni), RNA → proteina (traduzione, decodifica delle informazioni sulla struttura delle proteine). Questo dogma è stato in qualche modo corretto nel 1970, tenendo conto delle conoscenze accumulate, poiché il fenomeno della trascrizione inversa è stato scoperto indipendentemente da Howard Temin e David Baltimore: è stato scoperto un enzima, la reverseasi, responsabile della trascrizione inversa - la formazione di doppi DNA a filamento su uno stampo di RNA a filamento singolo, che si verifica nei virus oncogeni. Va notato che il rigoroso requisito per il flusso di informazioni genetiche dagli acidi nucleici alle proteine ​​rimane ancora la base della biologia molecolare.

Nel 1957, Alexander Sergeevich Spirin, insieme ad Andrei Nikolaevich Belozersky, dimostrò che, con differenze significative nella composizione nucleotidica del DNA da organismi diversi, la composizione degli RNA totali è simile. Sulla base di questi dati, sono giunti alla conclusione sensazionale che l'RNA totale di una cellula non può fungere da portatore di informazioni genetiche dal DNA alle proteine, poiché non corrisponde ad esso nella composizione. Allo stesso tempo, hanno notato che esiste una frazione minore di RNA, che corrisponde completamente nella sua composizione nucleotidica al DNA e che può essere un vero portatore di informazioni genetiche dal DNA alle proteine. Di conseguenza, hanno previsto l’esistenza di molecole di RNA relativamente piccole e strutturalmente analoghe singole aree DNA e fungono da intermediari nel trasferimento delle informazioni genetiche contenute nel DNA al ribosoma, dove le molecole proteiche vengono sintetizzate utilizzando queste informazioni. Nel 1961 (S. Brenner, F. Jacob, M. Meselson da un lato e F. Gros, Francois Jacob e Jacques Monod furono i primi ad ottenere la conferma sperimentale dell'esistenza di tali molecole - RNA (messaggero) di informazione. allo stesso tempo hanno sviluppato il concetto e il modello dell'unità funzionale del DNA - l'operone, che ha permesso di spiegare esattamente come viene effettuata la regolazione dell'espressione genica nei procarioti.Lo studio dei meccanismi della biosintesi delle proteine ​​e i principi della struttura l'organizzazione e il funzionamento delle macchine molecolari - i ribosomi - hanno permesso di formulare un postulato che descrive il movimento dell'informazione genetica, chiamato dogma centrale della biologia molecolare: il DNA - l'mRNA è una proteina.

Nel 1961 e negli anni successivi, Heinrich Matthai e Marshall Nirenberg, e poi Har Korana e Robert Holley, realizzarono diversi lavori per decifrare il codice genetico, in seguito ai quali fu stabilita una relazione diretta tra la struttura del DNA e il proteine ​​sintetizzate e la sequenza nucleotidica che determina l'insieme di aminoacidi in una proteina. Sono stati ottenuti anche dati sull'universalità del codice genetico. Le scoperte furono insignite del Premio Nobel nel 1968.

Per lo sviluppo di idee moderne sulle funzioni dell'RNA, decisiva è stata la scoperta degli RNA non codificanti, basata sui risultati del lavoro di Alexander Sergeevich Spirin insieme ad Andrei Nikolaevich Belozersky nel 1958, Charles Brenner e coautori e Saul Spiegelman nel 1961. Questo tipo di RNA costituisce la maggior parte dell’RNA cellulare. Gli RNA non codificanti includono principalmente RNA ribosomiali.

I metodi per coltivare e ibridare le cellule animali hanno ricevuto uno sviluppo significativo. Nel 1963, Francois Jacob e Sidney Brenner formularono l'idea di un replicone, una sequenza di geni che si replicano intrinsecamente che spiega aspetti importanti della regolazione della replicazione genetica.

Nel 1967, nel laboratorio di A. S. Spirin, fu dimostrato per la prima volta che la forma dell'RNA ripiegato in modo compatto determina la morfologia della particella ribosomiale.

Nel 1968 fu fatta una scoperta fondamentale e significativa. Okazaki, avendo scoperto frammenti di DNA del filamento ritardato mentre studiava il processo di replicazione, da lei chiamato frammenti di Okazaki, chiarì il meccanismo della replicazione del DNA.

Nel 1970, Howard Temin e David Baltimore fecero indipendentemente una scoperta significativa: scoprirono l'enzima revertasi, che è responsabile della trascrizione inversa - la formazione di DNA a doppio filamento su un modello di RNA a filamento singolo, che si verifica nei virus oncogeni contenenti RNA.

Un altro importante risultato della biologia molecolare è stata la spiegazione del meccanismo delle mutazioni a livello molecolare. Come risultato di una serie di studi, sono stati stabiliti i principali tipi di mutazioni: duplicazioni, inversioni, delezioni, traslocazioni e trasposizioni. Ciò ha permesso di considerare i cambiamenti evolutivi dal punto di vista dei processi genetici e ha permesso di sviluppare la teoria degli orologi molecolari, che viene utilizzata nella filogenesi.

All'inizio degli anni '70 furono formulati i principi di base del funzionamento degli acidi nucleici e delle proteine ​​in un organismo vivente. Si è scoperto che le proteine ​​e gli acidi nucleici nel corpo sono sintetizzati utilizzando un meccanismo a matrice; la molecola della matrice trasporta informazioni crittografate sulla sequenza di amminoacidi (in una proteina) o nucleotidi (in un acido nucleico). Durante la replicazione (duplicazione del DNA) o la trascrizione (sintesi dell'mRNA), il DNA funge da matrice; durante la traduzione (sintesi proteica) o la trascrizione inversa, l'mRNA funge da matrice.

In questo modo sono stati creati i presupposti teorici per lo sviluppo dei settori applicativi della biologia molecolare, in particolare dell'ingegneria genetica. Nel 1972 Paul Berg, Herbert Boer e Stanley Cohen svilupparono la tecnologia della clonazione molecolare. Poi furono i primi a ottenere il DNA ricombinante in vitro. Questi eccezionali esperimenti gettarono le basi per l'ingegneria genetica e quest'anno è considerata la data di nascita di questo campo scientifico.

Nel 1977, Frederick Sanger e indipendentemente Allan Maxam e Walter Gilbert svilupparono vari metodi determinazione della struttura primaria (sequenziamento) del DNA. Il metodo Sanger, il cosiddetto metodo della terminazione della catena, è la base del sequenziamento moderno. Il principio di sequenziamento si basa sull'uso di basi marcate che agiscono come terminatori in una reazione di sequenziamento circolare. Questo metodo si è diffuso grazie alla sua capacità di eseguire rapidamente l'analisi.

1976 - Federico. Sanger ha decifrato la sequenza nucleotidica del DNA del fago φΧ174, lungo 5375 paia di nucleotidi.

1981 – L’anemia falciforme diventa la prima malattia genetica, diagnosticato mediante analisi del DNA.

1982-1983 la scoperta della funzione catalitica dell'RNA nei laboratori americani di T. Check e S. Altman cambiò l'idea esistente del ruolo esclusivo delle proteine. Per analogia con le proteine ​​catalitiche - enzimi, gli RNA catalitici erano chiamati ribozimi.

1987 Keri Mullez scopre la reazione a catena della polimerasi, grazie alla quale è possibile aumentare artificialmente in modo significativo il numero di molecole di DNA in una soluzione per ulteriori lavori. Oggi questo è uno dei metodi più importanti della biologia molecolare, utilizzato nello studio dell'ereditarietà e malattie virali, nello studio dei geni e nell'identificazione genetica e nella determinazione della parentela, ecc.

Nel 1990, tre gruppi di scienziati pubblicarono contemporaneamente un metodo che consentì di ottenere rapidamente RNA sintetico funzionalmente attivo (ribozimi artificiali o molecole che interagiscono con vari ligandi - aptameri) in laboratorio. Questo metodo è chiamato “evoluzione in vitro”. E subito dopo, nel 1991-1993 nel laboratorio di A.B. Quadruple ha dimostrato sperimentalmente la possibilità dell'esistenza, della crescita e dell'amplificazione delle molecole di RNA sotto forma di colonie su terreni solidi.

Nel 1998, quasi contemporaneamente, Craig Mello e Andrew Fire descrissero un meccanismo precedentemente osservato durante esperimenti genetici con batteri e fiori Interferenza dell'RNA, in cui una piccola molecola di RNA a doppio filamento porta alla soppressione specifica dell'espressione genica.

La scoperta del meccanismo dell'interferenza dell'RNA ha un significato pratico molto importante per la moderna biologia molecolare. Questo fenomeno è ampiamente utilizzato negli esperimenti scientifici come strumento per “spegnere”, cioè sopprimere l’espressione dei singoli geni. Di particolare interesse è il fatto che questo metodo consente la soppressione reversibile (temporanea) dell'attività dei geni studiati. Sono in corso ricerche sulla possibilità di utilizzare questo fenomeno per la cura di malattie virali, tumorali, degenerative e metaboliche. Va notato che nel 2002 sono stati scoperti virus della poliomielite mutanti in grado di evitare l'interferenza dell'RNA, quindi è necessario un lavoro più scrupoloso per sviluppare un vero virus della poliomielite metodi efficaci trattamento basato su questo fenomeno.

Nel 1999-2001 diversi gruppi di ricercatori hanno determinato la struttura del ribosoma batterico con una risoluzione compresa tra 5,5 e 2,4 Angstrom.

Articolo

I risultati della biologia molecolare nella conoscenza della natura vivente sono difficili da sopravvalutare. Un grande successo è stato ottenuto grazie ad un concetto di ricerca vincente: i processi biologici complessi vengono considerati dal punto di vista dei singoli sistemi molecolari, il che consente l'uso di precisi metodi di ricerca fisico-chimici. Ciò ha attirato anche molte grandi menti da campi correlati a quest'area della scienza: chimica, fisica, citologia, virologia, che ha avuto anche un effetto benefico sulla scala e sulla velocità dello sviluppo conoscenza scientifica in quest 'area. Scoperte significative come la determinazione della struttura del DNA, la decifrazione del codice genetico e la modificazione mirata artificialmente del genoma hanno permesso di comprendere significativamente meglio le specificità dei processi di sviluppo degli organismi e di risolvere con successo numerosi importanti fondamenti scientifici, medici e applicati fondamentali e applicati problemi sociali considerati insolubili non molto tempo fa.

L'oggetto di studio della biologia molecolare sono principalmente le proteine, gli acidi nucleici e i complessi molecolari (macchine molecolari) basati su di essi e i processi a cui partecipano.

Gli acidi nucleici sono polimeri lineari costituiti da unità nucleotidiche (composti di uno zucchero a cinque membri con un gruppo fosfato nel quinto atomo del ciclo e una delle quattro basi azotate), interconnessi da un legame estere di gruppi fosfato. Pertanto, un acido nucleico è un polimero pentoso fosfato con basi azotate come sostituenti laterali. Composizione chimica Le catene dell'RNA differiscono dal DNA in quanto la prima è costituita da un ciclo a cinque membri del carboidrato ribosio, mentre la seconda è costituita da un derivato del deidrossiribosio, il desossiribosio. Inoltre, spazialmente, queste molecole differiscono radicalmente, poiché l'RNA è una molecola flessibile a filamento singolo, mentre il DNA è una molecola a doppio filamento.

Le proteine ​​​​sono polimeri lineari, che sono catene di alfa amminoacidi collegati tra loro da legami peptidici, da cui il loro secondo nome: polipeptidi. Le proteine ​​naturali contengono molte diverse unità di aminoacidi - fino a 20 nell'uomo - che determinano un'ampia varietà di proprietà funzionali di queste molecole. Alcune proteine ​​prendono parte a quasi tutti i processi del corpo e svolgono molti compiti: svolgono il ruolo di materiale da costruzione cellulare, forniscono il trasporto di sostanze e ioni, catalizzano reazioni chimiche, - questa lista è molto lunga. Le proteine ​​formano conformazioni molecolari stabili a vari livelli di organizzazione (strutture secondarie e terziarie) e complessi molecolari, che ne espandono ulteriormente la funzionalità. Queste molecole possono avere un'elevata specificità per svolgere determinati compiti a causa della formazione di una complessa struttura globulare spaziale. L'ampia varietà di proteine ​​garantisce il costante interesse degli scienziati per questo tipo di molecole.

Le idee moderne sul tema della biologia molecolare si basano su una generalizzazione avanzata per la prima volta nel 1958 da Francis Crick come dogma centrale della biologia molecolare. La sua essenza era l'affermazione che l'informazione genetica negli organismi viventi passa attraverso fasi di implementazione rigorosamente definite: copia dal DNA al DNA all'ingresso dell'ereditarietà, dal DNA all'RNA, e poi dall'RNA alla proteina, e la transizione inversa non è possibile. Questa affermazione era vera solo in parte, per cui il dogma centrale venne successivamente corretto tenendo conto dei nuovi dati emersi.

Attualmente sono note diverse modalità di implementazione del materiale genetico, che rappresentano diverse sequenze di implementazione tre tipi Esistenza dell'informazione genetica: DNA, RNA e proteine. Alle nove modi possibili le implementazioni sono divise in tre gruppi: si tratta di tre trasformazioni generali (generali), che si verificano normalmente nella maggior parte degli organismi viventi; tre trasformazioni speciali (speciali), effettuate in alcuni virus o in speciali condizioni di laboratorio; tre trasformazioni sconosciute (sconosciute), la cui attuazione è considerata impossibile.

Le trasformazioni generali includono le seguenti modalità di implementazione del codice genetico: DNA→DNA (replicazione), DNA→RNA (trascrizione), RNA→proteina (traduzione).

Per effettuare il trasferimento dei caratteri ereditari, i genitori devono trasmettere ai loro discendenti una molecola di DNA completa. Il processo mediante il quale è possibile sintetizzare una copia esatta del DNA originale, e quindi trasferire materiale genetico, è chiamato replicazione. Viene effettuato da speciali proteine ​​che dipanano la molecola (raddrizzano la sua sezione), svolgono la doppia elica e, utilizzando la DNA polimerasi, creano una copia esatta della molecola di DNA originale.

Per garantire la vita di una cellula, essa deve fare costantemente riferimento al codice genetico racchiuso nella doppia elica del DNA. Tuttavia, questa molecola è troppo grande e goffa per essere utilizzata come fonte diretta di materiale genetico per la sintesi proteica continua. Pertanto, nel processo di implementazione delle informazioni contenute nel DNA, esiste una fase intermedia: la sintesi dell'mRNA, che è una piccola molecola a filamento singolo complementare a un determinato segmento di DNA che codifica per una determinata proteina. Il processo di trascrizione è effettuato dalla RNA polimerasi e da fattori di trascrizione. La molecola risultante può quindi essere facilmente consegnata alla parte della cellula responsabile della sintesi proteica: il ribosoma.

Dopo che l'RNA è entrato nel ribosoma, inizia la fase finale di implementazione dell'informazione genetica. In questo caso, il ribosoma legge il codice genetico dall'mRNA in triplette chiamate codoni e sintetizza la proteina corrispondente in base alle informazioni ricevute.

Durante trasformazioni particolari, il codice genetico viene implementato secondo lo schema RNA→RNA (replicazione), RNA→DNA (trascrizione inversa), DNA→proteina (traduzione diretta). La replicazione di questo tipo avviene in molti virus, dove viene effettuata dall'enzima RNA polimerasi RNA-dipendente. Enzimi simili si trovano nelle cellule eucariotiche, dove sono associati al processo di silenziamento dell'RNA. La trascrizione inversa si trova nei retrovirus, dove viene effettuata sotto l'azione dell'enzima trascrittasi inversa, e in alcuni casi anche nei cellule eucariotiche, ad esempio, durante la sintesi telomerica. La trasmissione in diretta viene effettuata solo in condizioni artificiali in un sistema isolato all'esterno della cella.

Ognuna delle tre possibili transizioni dell'informazione genetica da proteina a proteina, RNA o DNA è considerata impossibile. Il caso dell'effetto dei prioni sulle proteine, a seguito del quale si forma un prione simile, potrebbe essere attribuito condizionatamente al tipo di implementazione dell'informazione genetica proteina → proteina. Tuttavia, formalmente non è tale, poiché non influenza la sequenza aminoacidica della proteina.

Interessante è la storia dell'origine del termine “dogma centrale”. Poiché la parola dogma in generale significa un'affermazione che non è soggetta a dubbio, e la parola stessa ha chiare connotazioni religiose, la sua scelta come descrizione di un fatto scientifico non è del tutto legittima. Secondo lo stesso Francis Crick, questo è stato il suo errore. Voleva dare maggiore significato alla teoria proposta, per distinguerla da altre teorie e ipotesi; Perché ha deciso di usare questa maestosa, secondo lui, parola, senza capirne il vero significato? Il nome, tuttavia, rimase.

La biologia molecolare oggi

Il rapido sviluppo della biologia molecolare, il costante interesse del pubblico per i progressi in questo campo e l'importanza oggettiva della ricerca hanno portato alla nascita di un gran numero di grandi centri di ricerca sulla biologia molecolare in tutto il mondo. Tra i più grandi vanno citati: il Laboratorio di Biologia Molecolare di Cambridge, la Royal Institution di Londra - nel Regno Unito; istituti di biologia molecolare a Parigi, Marsiglia e Strasburgo, Istituto Pasteur - in Francia; dipartimenti di biologia molecolare dell'Università di Harvard e del Massachusetts Institute of Technology, dell'Università di Berkeley, del California Institute of Technology, della Rockefeller University e del Bethesda Institute of Health - negli Stati Uniti; Istituti Max Planck, Università di Gottinga e Monaco, Istituto Centrale di Biologia Molecolare di Berlino, Istituti di Jena e Halle - in Germania; Karolinska Institutet di Stoccolma in Svezia.

In Russia, i centri leader in questo campo sono l'Istituto di Biologia Molecolare da cui prende il nome. V.A. Engelhardt RAS, Istituto di genetica molecolare RAS, Istituto di biologia genetica RAS, Istituto di biologia fisica e chimica dal nome. A. N. Belozersky Università statale di Mosca dal nome. M.V. Lomonosov, Istituto di Biochimica dal nome. A.N.Bach RAS e l'Istituto di Proteine ​​RAS di Pushchino.

Oggi copre l'area di interesse dei biologi molecolari vasta gamma fondamentale questioni scientifiche. Il ruolo principale è ancora occupato dallo studio della struttura degli acidi nucleici e della biosintesi delle proteine, dallo studio della struttura e delle funzioni di varie strutture intracellulari e superfici cellulari. Importanti ambiti di ricerca sono anche lo studio dei meccanismi di ricezione e trasmissione del segnale, meccanismi molecolari trasporto di composti all'interno della cellula e dalla cellula all'ambiente esterno e ritorno. Tra le principali direzioni della ricerca scientifica nel campo della biologia molecolare applicata, una delle massime priorità è il problema dell'emergenza e dello sviluppo dei tumori. Anche un'area molto importante studiata dal ramo della biologia molecolare - la genetica molecolare - è lo studio delle basi molecolari della comparsa di malattie ereditarie e malattie virali, come l’AIDS, nonché lo sviluppo di modi per prevenirle e, possibilmente, trattarle a livello genetico. Le scoperte e gli sviluppi dei biologi molecolari in medicina legale. Una vera rivoluzione nel campo dell'identificazione personale è stata fatta negli anni '80 da scienziati provenienti da Russia, Stati Uniti e Gran Bretagna grazie allo sviluppo e all'implementazione nella pratica quotidiana del metodo del "impronta digitale genomica" - identificazione di un individuo tramite DNA. La ricerca in questo settore non si ferma fino ad oggi; i metodi moderni consentono di stabilire l’identità di una persona con una probabilità di errore di un miliardesimo di punto percentuale. È già in corso lo sviluppo attivo di un progetto di passaporto genetico, che dovrebbe ridurre notevolmente il tasso di criminalità.

Metodologia

Oggi la biologia molecolare dispone di un vasto arsenale di metodi che le consentono di risolvere i problemi più avanzati e complessi che gli scienziati devono affrontare.

Uno dei metodi più comuni in biologia molecolare è l'elettroforesi su gel, che risolve il problema di separare una miscela di macromolecole per dimensione o carica. Quasi sempre, dopo la separazione delle macromolecole in un gel, viene utilizzato il blotting, un metodo che consente di trasferire le macromolecole dal gel (assorbite) alla superficie della membrana per comodità di ulteriore lavoro con esse, in particolare l'ibridazione. L'ibridazione - la formazione di DNA ibrido da due catene di diversa natura - è un metodo che gioca un ruolo importante ricerca di base. Serve per determinare complementare segmenti in DNA diverso (DNA di specie diverse), viene utilizzato per cercare nuovi geni, con il suo aiuto è stata scoperta l'interferenza dell'RNA e il suo principio ha costituito la base dell'impronta digitale genomica.

Un ruolo importante nella pratica moderna della ricerca biologica molecolare è svolto dal metodo di sequenziamento, che determina la sequenza dei nucleotidi negli acidi nucleici e degli amminoacidi nelle proteine.

La moderna biologia molecolare non può essere immaginata senza il metodo della polimerasi. reazione a catena(PCR). Grazie a questo metodo, il numero di copie di una determinata sequenza di DNA viene aumentato (amplificato) per ottenere da una molecola una quantità sufficiente di sostanza per lavorare ulteriormente con essa. Un risultato simile si ottiene con la tecnologia della clonazione molecolare, in cui la sequenza nucleotidica richiesta viene introdotta nel DNA dei batteri (sistemi viventi), dopo di che la riproduzione dei batteri porta al risultato desiderato. Questo approccio è tecnicamente molto più complicato, ma consente di ottenere contemporaneamente il risultato dell'espressione della sequenza nucleotidica in studio.

Anche nella ricerca biologica molecolare sono ampiamente utilizzati metodi di ultracentrifugazione (per la separazione di macromolecole (grandi quantità), cellule, organelli), metodi di microscopia elettronica e a fluorescenza, metodi spettrofotometrici, analisi di diffrazione di raggi X, autoradiografia, ecc.

Grazie al progresso tecnologico e alla ricerca scientifica nei campi della chimica, fisica, biologia e informatica, le moderne attrezzature permettono di isolare, studiare e modificare i singoli geni e i processi in cui sono coinvolti.