1. Въведение.
Предмет, задачи и методи на молекулярната биология и генетика. Значението на „класическата” генетика и генетиката на микроорганизмите в развитието на молекулярната биология и генното инженерство. Концепцията за ген в "класическата" и молекулярната генетика, нейната еволюция. Принос на методологията на генното инженерство в развитието на молекулярната генетика. Приложно значение на генното инженерство за биотехнологиите.
2. Молекулярни основи на наследствеността.
Концепцията за клетката, нейния макромолекулен състав. Естеството на генетичния материал. Историята на доказателствата за генетичната функция на ДНК.
2.1. Различни видове нуклеинова киселина. Биологични функции на нуклеиновите киселини. Химическа структура, пространствена структура и физични свойствануклеинова киселина. Характеристики на структурата на генетичния материал на про- и еукариоти. Допълнителни базови двойки на Watson-Crick. Генетичен код. Историята на дешифрирането на генетичния код. Основни свойства на кода: триплетност, код без запетаи, изроденост. Характеристики на кодовия речник, семейства кодони, семантични и „безсмислени“ кодони. Кръгови молекули на ДНК и концепцията за свръхнавиване на ДНК. ДНК топоизомери и техните видове. Механизми на действие на топоизомеразите. Бактериална ДНК гираза.
2.2. ДНК транскрипция.Прокариотна РНК полимераза, нейната субединица и триизмерни структури. Разнообразие от сигма фактори. Промотор на прокариотен ген, неговите структурни елементи. Етапи на транскрипционния цикъл. Иницииране, образуване на "отворен комплекс", удължаване и терминиране на транскрипцията. Затихване на транскрипция. Регулиране на експресията на триптофан оперон. „Рибопревключватели“. Механизми на терминиране на транскрипция. Отрицателна и положителна регулация на транскрипцията. Лактозен оперон. Регулиране на транскрипцията в развитието на ламбда фаг. Принципи на разпознаване на ДНК от регулаторни протеини (CAP протеин и ламбда фагов репресор). Характеристики на транскрипцията при еукариоти. Процесинг на РНК при еукариоти. Капиране, сплайсинг и полиаденилиране на транскрипти. Механизми за снаждане. Ролята на малките ядрени РНК и протеиновите фактори. Алтернативно снаждане, примери.
2.3. Излъчване, неговите етапи, рибозомна функция. Локализация на рибозомите в клетката. Прокариотни и еукариотни видове рибозоми; 70S и 80S рибозоми. Морфология на рибозомите. Разделяне на субчастици (подединици). Кодон-зависимо аминоацил-tRNA свързване в цикъла на удължаване. Кодон-антикодон взаимодействие. Участие на фактора на удължаване EF1 (EF-Tu) в свързването на аминоацил-тРНК към рибозомата. Фактор на удължаване EF1B (EF-Ts), неговата функция, последователност от реакции с негово участие. Антибиотици, които действат на етапа на кодон-зависимо свързване на аминоацил-тРНК към рибозомата. Аминогликозидни антибиотици (стрептомицин, неомицин, канамицин, гентамицин и др.), техният механизъм на действие. Тетрациклини като инхибитори на свързването на аминоацил-тРНК към рибозомата. Иницииране на излъчване. Основни етапи на процеса на иницииране. Иницииране на транслацията при прокариоти: иницииращи фактори, иницииращи кодони, 3¢ край на малка рибозомна субединица РНК и последователност на Shine-Dalgarno в иРНК. Иницииране на транслацията при еукариоти: фактори на иницииране, иницииращи кодони, 5¢ нетранслиран регион и зависимо от капачката „терминално“ иницииране. „Вътрешно“ независимо от капачката започване в еукариотите. Транспептидация. Инхибитори на транспептидацията: хлорамфеникол, линкомицин, амицетин, стрептограмини, анизомицин. Транслокация. Участие на фактора на удължаване EF2 (EF-G) и GTP. Инхибитори на транслокацията: фузидова киселина, виомицин, техните механизми на действие. Прекратяване на предаването. Стоп кодони. Протеин терминиращи фактори на прокариоти и еукариоти; два класа терминиращи фактори и техните механизми на действие. Регулиране на транслацията при прокариотите.
2.4. репликация на ДНКи неговия генетичен контрол. Полимерази, участващи в репликацията, характеристики на тяхната ензимна активност. Точност на възпроизвеждане на ДНК. Ролята на пространствените взаимодействия между базовите двойки на ДНК по време на репликация. Е. coli полимерази I, II и III. Полимераза III субединици. Разклонение за репликация, „водещи“ и „изоставащи“ нишки по време на репликация. Фрагменти от Оказаки. Комплекс от протеини в репликационна вилка. Регулиране на инициирането на репликация в Е. coli. Прекратяване на репликацията в бактериите. Характеристики на регулацията на репликацията на плазмид. Двупосочна репликация и репликация на въртящ се кръг.
2.5. Рекомбинация, неговите видове и модели. Обща или хомоложна рекомбинация. Двуверижни разкъсвания на ДНК, които инициират рекомбинация. Ролята на рекомбинацията в пост-репликативното възстановяване на двуверижни прекъсвания. Структура на Холидей в рекомбинационния модел. Ензимология на общата рекомбинация в Е. coli. RecBCD комплекс. RecA протеин. Ролята на рекомбинацията за осигуряване на синтеза на ДНК по време на увреждане на ДНК, което прекъсва репликацията. Рекомбинация при еукариоти. Рекомбинационни ензими при еукариоти. Сайт-специфична рекомбинация. Разлики в молекулярните механизми на обща и сайт-специфична рекомбинация. Класификация на рекомбинази. Видове хромозомни пренареждания, извършвани по време на сайт-специфична рекомбинация. Регулаторна роля на сайт-специфична рекомбинация в бактерии. Конструиране на хромозоми на многоклетъчни еукариоти с помощта на фагова сайт-специфична рекомбинационна система.
2.6. възстановяване на ДНК.Класификация на видовете репарации. Директно възстановяване на тиминови димери и метилиран гуанин. Изрязване на основите. Гликозилази. Механизмът на възстановяване на несдвоени нуклеотиди (поправка на несъответствие). Избор на ДНК верига, която да бъде поправена. SOS възстановяване. Свойства на ДНК полимеразите, участващи в възстановяването на SOS при прокариоти и еукариоти. Концепцията за "адаптивни мутации" в бактериите. Поправка на двуверижни скъсвания: хомоложна пострепликативна рекомбинация и свързване на нехомоложни краища на ДНК молекулата. Връзката между процесите на репликация, рекомбинация и възстановяване.
3. Процес на мутация.
Ролята на биохимичните мутанти при формирането на теорията за един ген – един ензим. Класификация на мутациите. Точкови мутации и хромозомни пренареждания, механизмът на тяхното образуване. Спонтанна и индуцирана мутагенеза. Класификация на мутагените. Молекулен механизъм на мутагенезата. Връзката между мутагенеза и възстановяване. Идентифициране и селекция на мутанти. Потискане: интрагенно, междугенно и фенотипно.
4. Екстрахромозомни генетични елементи.
Плазмиди, тяхната структура и класификация. Секс фактор F, неговата структура и жизнен цикъл. Ролята на фактор F в мобилизирането на хромозомния трансфер. Образуване на донори от типа Hfr и F." Механизмът на конюгация. Бактериофаги, тяхната структура и жизнен цикъл. Вирулентни и умерени бактериофаги. Лизогения и трансдукция. Обща и специфична трансдукция. Мигриращи генетични елементи: транспозони и IS последователности, тяхната роля в генетичен обмен ДНК -транспозони в геномите на прокариоти и еукариоти IS последователности на бактерии, тяхната структура IS последователности като компонент на F-фактора на бактериите, който определя способността за прехвърляне на генетичен материал по време на конюгация Транспозони на бактерии и еукариотни организми Директни нерепликативни и репликативни механизми на транспониране Концепция за хоризонтален трансфер на транспозони и тяхната роля в структурните пренареждания (ектопична рекомбинация) и в еволюцията на генома.
5. Изследване на генната структура и функция.
Елементи на генетичния анализ. Тест за цис-транс комплементация. Генетично картографиране с помощта на конюгация, трансдукция и трансформация. Изграждане на генетични карти. Фино генетично картографиране. Физически анализ на генната структура. Хетеродуплексен анализ. Рестрикционен анализ. Методи за секвениране. Полимераза верижна реакция. Идентифициране на генната функция.
6. Регулиране на генната експресия. Концепции за оперон и регулон. Контрол на ниво иницииране на транскрипция. Промоторни, операторни и регулаторни протеини. Положителен и отрицателен контрол на генната експресия. Контрол на ниво терминация на транскрипция. Оперони, контролирани от катаболит: модели на оперони на лактоза, галактоза, арабиноза и малтоза. Оперони, контролирани от атенюатор: модел на триптофановия оперон. Многовалентна регулация на генната експресия. Глобални регулаторни системи. Регулаторен отговор на стреса. Посттранскрипционен контрол. Предаване на сигнала. Регулация, включваща РНК: малки РНК, сензорни РНК.
7. Основи на генното инженерство. Рестрикционни и модифициращи ензими. Изолиране и клониране на гени. Вектори за молекулярно клониране. Принципи на проектиране на рекомбинантна ДНК и въвеждането им в реципиентни клетки. Приложни аспекти на генното инженерство.
А). Основна литература:
1. Watson J., Tooze J., Рекомбинантна ДНК: Кратък курс. – М.: Мир, 1986.
2. Гени. – М.: Мир. 1987 г.
3. Молекулярна биология: структура и биосинтеза на нуклеинови киселини. / Ед. . – М. Висше училище. 1990 г.
4. – Молекулярна биотехнология. М. 2002.
5. Спиринови рибозоми и биосинтеза на протеини. – М.: висше училище, 1986.
б). Допълнителна литература:
1. Хесин геном. – М.: Наука. 1984 г.
2. Генно инженерство на Рибчин. – Санкт Петербург: Санкт Петербургски държавен технически университет. 1999 г.
3. Патрушев ген. – М.: Наука, 2000.
4. Съвременна микробиология. Прокариоти (в 2 тома). – М.: Мир, 2005.
5. М. Сингер, П. Берг. Гени и геноми. – М.: Мир, 1998.
6. Щелкунов инженеринг. – Новосибирск: Из Сиб. университет, 2004.
7. Биология на Степанов. Структура и функции на протеините. – М.: В. Ш., 1996.
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. За да анализираме генетичната информация, използваме Компютърно инженерство, във връзка с което 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 екстракт от убити чрез топлина патогенни бактерии може 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). ДА СЕ началото на XXIвек бяха получени данни за първичната структура на цялата човешка ДНК и редица други организми, най-важни за медицината, селското стопанство и научните изследвания, което доведе до появата на няколко нови направления в биологията: геномика, биоинформатика и др.
Вижте също
- Молекулярна биология (списание)
- Транскриптомика
- Молекулярна палеонтология
- ЕМБО- Европейска организациямолекулярни 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
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
Книги
- Молекулярна биология на клетките. Сборник задачи, Дж. Уилсън, Т. Хънт. Книгата на американски автори е приложение към 2-ро издание на учебника „Молекулярна биология на клетката” на Б. Албъртс, Д. Брей, Дж. Луис и др.. Съдържа въпроси и задачи, чиято цел е да задълбочи . ..
31.2
За приятели!
справка
Молекулярната биология израства от биохимията през април 1953 г. Появата му се свързва с имената на Джеймс Уотсън и Франсис Крик, открили структурата на ДНК молекулата. Откритието стана възможно благодарение на изследване на генетиката, бактериите и биохимията на вирусите. Професия молекулярен биологне е широко разпространена, но днес ролята й в модерно обществомного голям. Голям брой заболявания, включително тези, които се проявяват на генетично ниво, изискват от учените да намерят решения на този проблем.
Описание на дейността
Вирусите и бактериите постоянно мутират, което означава, че лекарствата вече не помагат на човек и болестите стават трудни за лечение. Задачата на молекулярната биология е да изпревари този процес и да разработи нов лек за болестите. Учените работят по добре установена схема: блокиране на причината за заболяването, премахване на механизмите на наследствеността и по този начин облекчаване на състоянието на пациента. Има редица центрове, клиники и болници по света, където молекулярни биолози разработват нови методи за лечение, за да помогнат на пациентите.
Служебни задължения
Отговорностите на молекулярния биолог включват изучаване на процеси вътре в клетката (например промени в ДНК по време на развитието на тумори). Специалистите изследват и особеностите на ДНК, тяхното влияние върху целия организъм и отделна клетка. Такива изследвания се провеждат, например, на базата на PCR (полимеразна верижна реакция), която позволява да се анализира тялото за инфекции, наследствени заболявания и да се определи биологичното родство.
Характеристики на кариерното израстване
Професията на молекулярния биолог е доста перспективна в своята област и вече претендира за първо място в класацията. медицински професиибъдеще. Между другото, един молекулярен биолог не трябва да стои постоянно в тази област. Ако има желание да промени професията си, той може да се преквалифицира като мениджър продажби на лабораторно оборудване, да започне да разработва устройства за различни изследванияили отворете собствен бизнес.
Молекулярна биология,наука, която има за цел да разбере природата на жизнените явления чрез изучаване на биологични обекти и системи на ниво, доближаващо се до молекулярното ниво, а в някои случаи достигайки тази граница. Крайната цел е да се установи как и до каква степен характерните прояви на живота, като наследственост, размножаване на себеподобните, биосинтеза на протеини, възбудимост, растеж и развитие, съхранение и предаване на информация, енергийни трансформации, мобилност и др. , се определят от структурата, свойствата и взаимодействието на молекулите на биологично важни вещества, предимно два основни класа високомолекулни биополимери - протеини и нуклеинови киселини. Отличителна черта на M. b. - изследване на жизнени явления върху неодушевени обекти или такива, които се характеризират с най-примитивните прояви на живота. Това са биологични образувания от клетъчно нивои по-долу: субклетъчни органели, като изолирани клетъчни ядра, митохондрии, рибозоми, хромозоми, клетъчни мембрани; освен това - системи, които стоят на границата на живата и неживата природа - вируси, включително бактериофаги и завършващи с молекули основни компонентижива материя – нуклеинови киселини и протеини.
Основата, върху която се развива M. b., е положена от такива науки като генетика, биохимия, физиология на елементарните процеси и др. е неразривно свързана с молекулярната генетика, която продължава да бъде важна част
Отличителна чертаМ. б. е нейната триизмерност. Същност на M. b. се вижда от M. Perutz за тълкуване на биологичните функции от гледна точка на молекулярната структура. М. б. има за цел да получи отговори на въпроса „как”, като е научил същността на ролята и участието на цялата структура на молекулата, и на въпросите „защо” и „за какво”, като е разбрал, от една страна, връзките между свойствата на молекулата (отново преди всичко белтъци и нуклеинови киселини) и изпълняваните от нея функции и, от друга страна, ролята на тези отделни функции в цялостния комплекс от прояви на живота.
Най-важните постижения на молекулярната биология.Ето един далеч не пълен списък на тези постижения: откриване на структурата и механизма на биологичната функция на ДНК, всички видове РНК и рибозоми, откриване на генетичния код; откриване на обратна транскрипция, т.е. синтез на ДНК върху матрица на РНК; изучаване на механизмите на функциониране на дихателните пигменти; откриване на триизмерната структура и нейната функционална роля в действието на ензимите, принципа на матричния синтез и механизмите на протеиновата биосинтеза; разкриване на структурата на вирусите и механизмите на тяхната репликация, първичната и частично пространствената структура на антителата; изолиране на отделни гени, химически и след това биологичен (ензимен) синтез на ген, включително човешки, извън клетката (ин витро); трансфер на гени от един организъм в друг, включително човешки клетки; бърз препис химическа структуранарастващ брой отделни протеини, главно ензими, както и нуклеинови киселини; откриване на явления на „самосглобяване“ на някои биологични обекти с нарастваща сложност, като се започне от молекулите на нуклеиновата киселина и се стигне до многокомпонентни ензими, вируси, рибозоми и др.; изясняване на алостеричните и други основни принципи на регулация биологични функциии процеси.
Проблеми на молекулярната биология.Наред с посочените важни задачи на М. б. (познаване на законите на "разпознаването", самосглобяването и интегрирането) спешна посока на научните изследвания в близко бъдеще е разработването на методи, които правят възможно дешифрирането на структурата, а след това и триизмерната, пространствена организация на високомолекулни нуклеинови киселини. всичко най-важните методи, чието използване осигури появата и успеха на микробиологията, бяха предложени и развити от физици (ултрацентрофугиране, рентгенов дифракционен анализ, електронна микроскопия, ядрена магнитен резонанси т.н.). Почти всички нови физични експериментални подходи (например използването на компютри, синхротронно или спирачно лъчение, лазерна технология и др.) разкриват нови възможности за задълбочено проучванепроблеми М. б. Сред най-важните практически проблеми, чийто отговор се очаква от M. b., на първо място е проблемът за молекулярната основа на злокачествения растеж, след това - начините за предотвратяване и може би преодоляване на наследствените заболявания - „молекулярни заболявания ”. Изясняването на молекулярната основа на биологичната катализа, т.е. действието на ензимите, ще бъде от голямо значение. Сред най-важните модерни тенденцииМ. б. трябва да включва желанието да се дешифрират молекулярните механизми на действие на хормони, токсични и лекарствени вещества, както и да се открият подробности молекулярна структураи функционирането на такива клетъчни структури като биологични мембрани, участващи в регулирането на процесите на проникване и транспортиране на вещества. По-далечни цели на М. б. - познаване на природата нервни процеси, механизми на паметта и др. Един от важните нововъзникващи раздели на M. b. - т.нар генно инженерство, което има за цел да управлява целенасочено генетичния апарат (генома) на живите организми, от микроби и низши (едноклетъчни) организми до човека (в последния случай предимно с цел радикално лечение на наследствени заболявания и корекция на генетичните дефекти).
Най-важните области на MB:
– Молекулярна генетика – изследване на структурната и функционална организация на генетичния апарат на клетката и механизма за реализиране на наследствената информация
– Молекулярна вирусология – изследване на молекулярните механизми на взаимодействие на вирусите с клетките
– Молекулярна имунология – изследване на моделите на имунните реакции на организма
– Молекулярна биология на развитието – изследване на появата на различни по качество клетки по време на индивидуално развитиеорганизми и клетъчна специализация
Основни обекти на изследване: Вируси (включително бактериофаги), Клетки и субклетъчни структури, Макромолекули, Многоклетъчни организми.
Комикс за конкурса „био/мол/текст”: Днес епруветката за молекулярни биолог ще ви преведе през света на невероятната наука - молекулярната биология! Ще започнем с исторически екскурз през етапите на неговото развитие, описвайки основните открития и експерименти от 1933 г. Също така ясно ще ви разкажем за основните методи на молекулярната биология, които направиха възможно манипулирането, промяната и изолирането на гени. Появата на тези методи послужи като силен тласък за развитието на молекулярната биология. Нека си припомним и ролята на биотехнологиите и да се докоснем до една от най-популярните теми в тази област – редактирането на генома с помощта на системи CRISPR/Cas.
Генерален спонсор на състезанието и партньор на номинацията Сколтех е .
Спонсор на състезанието е фирма Diaem: най-големият доставчик на оборудване, реактиви и консумативи за биологични изследванияи производство
Наградата на публиката бе спонсорирана от компанията.
Спонсор "Книга" на конкурса - "Алпина нехудожествена литература"
1. Въведение. Същността на молекулярната биология
Изучава основите на живота на организмите на ниво макромолекули. Целта на молекулярната биология е да установи ролята и механизмите на функциониране на тези макромолекули въз основа на познаването на техните структури и свойства.
Исторически погледнато, молекулярната биология се формира по време на развитието на области на биохимията, които изучават нуклеинови киселини и протеини. Докато биохимията изучава метаболизма, химичен съставживи клетки, организми и дейности, извършвани в тях химически процеси, молекулярната биология фокусира основното си внимание върху изучаването на механизмите на предаване, възпроизвеждане и съхранение на генетична информация.
А обектът на изследване на молекулярната биология са самите нуклеинови киселини - дезоксирибонуклеинови киселини (ДНК), рибонуклеинови киселини (РНК) - и протеини, както и техните макромолекулни комплекси - хромозоми, рибозоми, мултиензимни системи, които осигуряват биосинтезата на протеини и нуклеинови киселини. Молекулярната биология също граничи с обектите на изследване и частично съвпада с молекулярната генетика, вирусологията, биохимията и редица други сродни биологични науки.
2. Исторически екскурзии в етапите на развитие на молекулярната биология
Като отделен дял от биохимията молекулярната биология започва да се развива през 30-те години на миналия век. Още тогава възниква необходимостта от разбиране на феномена на живота на молекулярно ниво, за да се изследват процесите на предаване и съхранение на генетична информация. По това време задачата на молекулярната биология беше установена в изучаването на свойствата, структурата и взаимодействието на протеините и нуклеиновите киселини.
Терминът "молекулярна биология" е използван за първи път през 1933 година Уилям Астбъри по време на изследване на фибриларни протеини (колаген, кръвен фибрин, мускулни контрактилни протеини). Астбъри проучи връзката между молекулярна структураи биологични, физически характеристики на тези протеини. В ранните дни на молекулярната биология РНК се смяташе за компонент само на растенията и гъбите, а ДНК - само на животните. И в 1935 Откриването на ДНК на грах от Андрей Белозерски доведе до установяването на факта, че ДНК се съдържа във всяка жива клетка.
IN 1940 През 2009 г. колосално постижение беше установяването от Джордж Бийдъл и Едуард Татъм на причинно-следствената връзка между гените и протеините. Хипотезата на учените „Един ген – един ензим“ е в основата на концепцията, че специфичната структура на протеина се регулира от гени. Смята се, че генетичната информация е кодирана от специална последователност от нуклеотиди в ДНК, която регулира първичната структура на протеините. По-късно беше доказано, че много протеини имат кватернерна структура. В образуването на такива структури участват различни пептидни вериги. Въз основа на това разпоредбата за връзката между гена и ензима беше донякъде трансформирана и сега звучи като „Един ген - един полипептид“.
IN 1944 През 2006 г. американският биолог Осуалд Ейвъри и колегите му (Колин Маклауд и Маклийн Маккарти) доказаха, че веществото, което причинява трансформацията на бактериите, е ДНК, а не протеини. Експериментът послужи като доказателство за ролята на ДНК в предаването на наследствена информация, изтривайки остарелите знания за протеиновата природа на гените.
В началото на 50-те години Фредерик Сангер показа, че протеиновата верига е уникална последователност от аминокиселинни остатъци. IN 1951 И 1952 години ученият определя пълната последователност на две полипептидни вериги – говежди инсулин IN(30 аминокиселинни остатъка) и А(21 аминокиселинни остатъка), съответно.
Приблизително по същото време, в 1951–1953 gg., Erwin Chargaff формулира правила за съотношението на азотните бази в ДНК. Според правилото, независимо от видовите различия на живите организми в тяхната ДНК, количеството на аденин (A) е равно на количеството на тимин (T), а количеството на гуанин (G) е равно на количеството на цитозин. (° С).
IN 1953 Генетичната роля на ДНК е доказана. Джеймс Уотсън и Франсис Крик, въз основа на рентгеновата дифракционна картина на ДНК, получена от Розалинд Франклин и Морис Уилкинс, установиха пространствената структура на ДНК и изложиха хипотеза, която по-късно беше потвърдена, за механизма на нейната репликация (дупликация) , което е в основата на наследствеността.
1958 година - формирането на централната догма на молекулярната биология от Франсис Крик: трансферът на генетична информация протича в посока ДНК → РНК → протеин.
Същността на догмата е, че в клетките има определен насочен поток от информация от ДНК, която от своя страна е оригиналният генетичен текст, състоящ се от четири букви: A, T, G и C. Записан е в двойната спирала на ДНК под формата на последователности от тези букви - нуклеотиди.
Този текст е транскрибиран. И самият процес се нарича транскрипция. По време на този процес се синтезира РНК, която е идентична с генетичния текст, но с разлика: в РНК вместо Т има U (урацил).
Тази РНК се нарича информационна РНК (тРНК), или матрица (тРНК). ИзлъчванеиРНК се осъществява с помощта на генетичния код под формата на триплетни последователности от нуклеотиди. По време на този процес текстът на ДНК и РНК нуклеиновите киселини се преобразува от четирибуквен текст в двадесетбуквен аминокиселинен текст.
Има само двадесет естествени аминокиселини, а в текста на нуклеиновите киселини има четири букви. Поради това чрез генетичния код се извършва превод от четирибуквена азбука към двадесетбуквена, в която всеки три нуклеотида съответстват на аминокиселина. Така че можете да направите до 64 трибуквени комбинации от четири букви, въпреки факта, че има 20 аминокиселини.От това следва, че генетичният код задължително трябва да има свойството на израждане. По това време обаче генетичният код не е бил известен и дори не е започнал да се дешифрира, но Крик вече е формулирал централната си догма.
Въпреки това имаше увереност, че кодът трябва да съществува. По това време вече е доказано, че този код е триплет. Това означава, че конкретно три букви в нуклеиновите киселини ( кодони) отговарят на всяка аминокиселина. Има само 64 от тези кодони, те кодират 20 аминокиселини. Това означава, че всяка аминокиселина съответства на няколко кодона наведнъж.
По този начин можем да заключим, че централната догма е постулат, който гласи, че в клетката възниква насочен поток от информация: ДНК → РНК → протеин. Крик подчерта основното съдържание на централната догма: обратният поток от информация не може да възникне, протеинът не е в състояние да промени генетичната информация.
Това е основното значение на централната догма: протеинът не е в състояние да промени и преобразува информацията в ДНК (или РНК), потокът винаги върви само в една посока.
Известно време след това е открит нов ензим, който не е бил известен по времето, когато е формулирана централната догма - обратна транскриптаза, който синтезира ДНК от РНК. Ензимът е открит във вируси, които имат генетична информация, кодирана в РНК, а не в ДНК. Такива вируси се наричат ретровируси. Те имат вирусна капсула, съдържаща РНК и специален ензим. Ензимът е обратна транскриптаза, който синтезира ДНК, използвайки матрицата на тази вирусна РНК, и тази ДНК след това служи като генетичен материал за по-нататъшното развитие на вируса в клетката.
Разбира се, това откритие предизвика голям шок и много спорове сред молекулярните биолози, тъй като се смяташе, че въз основа на централната догма това не би могло да бъде възможно. Крик обаче веднага обясни, че никога не е казвал, че е невъзможно. Той каза само, че никога не може да възникне поток от информация от протеини към нуклеинови киселини, но в рамките на нуклеиновите киселини е напълно възможен всякакъв вид процес: синтез на ДНК върху ДНК, ДНК върху РНК, РНК върху ДНК и РНК върху РНК.
След като централната догма беше формулирана, редица въпроси все още остават: Как четиринуклеотидната азбука, която изгражда ДНК (или РНК), кодира 20-буквената азбука на аминокиселините, които изграждат протеините? Каква е същността на генетичния код?
Първите идеи за съществуването на генетичен код са формулирани от Александър Даунс ( 1952 ж.) и Георги Гъмов ( 1954 Ж.). Учените са показали, че нуклеотидната последователност трябва да включва най-малко три единици. По-късно е доказано, че такава последователност се състои от три нуклеотида, наречени кодон (триплет). Независимо от това, въпросът кои нуклеотиди са отговорни за включването на коя аминокиселина в протеиновата молекула остава открит до 1961 г.
И в 1961 Маршал Ниренберг и Хайнрих Матей използваха системата за излъчване инвитро. Като шаблон се използва олигонуклеотид. Той съдържаше само остатъци от урацил, а синтезираният от него пептид включваше само аминокиселината фенилаланин. Така за първи път е установено значението на кодона: UUU кодонът кодира фенилаланин. Областта на Хар Корана установи, че нуклеотидната последователност UCUCUCUCUCUC кодира набор от аминокиселини серин-левцин-серин-левцин. Като цяло, благодарение на работата на Ниренберг и Корана, до 1965 година генетичният код е напълно разгадан. Оказа се, че всеки триплет кодира определена аминокиселина. И редът на кодоните определя реда на аминокиселините в протеина.
Основните принципи на функциониране на протеините и нуклеиновите киселини са формулирани в началото на 70-те години. Записано е, че синтезът на протеини и нуклеинови киселини се извършва с помощта на шаблонен механизъм. Матричната молекула носи кодирана информация за последователността на аминокиселините или нуклеотидите. По време на репликация или транскрипция, ДНК служи като шаблон; по време на транслация и обратна транскрипция, иРНК служи като шаблон.
По този начин бяха създадени предпоставки за формирането на области на молекулярната биология, включително генното инженерство. А през 1972 г. Пол Берг и колегите му разработват технология за молекулярно клониране. Учените са получили първата рекомбинантна ДНК инвитро. Тези изключителни открития формират основата на ново направление в молекулярната биология и 1972 Оттогава годината се счита за рождена дата на генното инженерство.
3. Методи на молекулярната биология
Огромният напредък в изследването на нуклеиновите киселини, структурата на ДНК и биосинтезата на протеини доведе до създаването на редица методи, които голямо значениев медицината, селското стопанство и науката като цяло.
След изучаването на генетичния код и основните принципи на съхранение, предаване и прилагане на наследствена информация, специални методи станаха необходими за по-нататъшното развитие на молекулярната биология. Тези методи биха позволили гените да бъдат манипулирани, променяни и изолирани.
Появата на такива методи се случи през 70-те и 80-те години на миналия век. Това даде огромен тласък на развитието на молекулярната биология. На първо място, тези методи са пряко свързани с получаването на гени и тяхното въвеждане в клетките на други организми, както и с възможността за определяне на последователността на нуклеотидите в гените.
3.1. ДНК електрофореза
ДНК електрофорезае основен метод за работа с ДНК. ДНК електрофорезата се използва заедно с почти всички други методи за изолиране на желаните молекули и допълнителен анализ на резултатите. Самият метод на гел електрофореза се използва за разделяне на ДНК фрагменти по дължина.
Преди или след електрофореза гелът се третира с багрила, които могат да се свържат с ДНК. Багрилата флуоресцират под ултравиолетова светлина, създавайки шарка от ивици в гела. За да се определят дължините на ДНК фрагментите, те могат да бъдат сравнени с маркери- набори от фрагменти със стандартни дължини, които се нанасят върху един и същ гел.
Флуоресцентни протеини
Когато се изучават еукариотни организми, е удобно да се използват флуоресцентни протеини като маркерни гени. Генът за първия зелен флуоресцентен протеин ( зелен флуоресцентен протеин, GFP), изолиран от медуза Aqeuorea victoria, след което са въведени в различни организми. След това бяха изолирани гени за флуоресцентни протеини с други цветове: синьо, жълто, червено. За да се получат протеини с интересни свойства, такива гени са изкуствено модифицирани.
Като цяло, най-важните инструменти за работа с ДНК молекулата са ензимите, които извършват редица ДНК трансформации в клетките: ДНК полимерази, ДНК лигазиИ рестрикционни ензими (рестрикционни ендонуклеази).
Трансгенеза
Трансгенезасе нарича трансфер на гени от един организъм в друг. И такива организми се наричат трансгенен.
Рекомбинантните протеинови препарати се произвеждат по метода на генен трансфер в микробни клетки. Основно такива протеинови препарати са интерферони, инсулин, някои протеинови хормони, както и протеини за производството на редица ваксини.
В други случаи се използват клетъчни култури от еукариоти или трансгенни животни, предимно говеда, които отделят необходимите протеини в млякото. По този начин се получават антитела, фактори на кръвосъсирването и други протеини. Методът на трансгенезата се използва за получаване на култивирани растения, които са устойчиви на вредители и хербициди, а отпадъчните води се пречистват с помощта на трансгенни микроорганизми.
В допълнение към всичко изброено по-горе, трансгенните технологии са незаменими в научно изследване, тъй като развитието на биологията става по-бързо с използването на методи за модификация и генен трансфер.
Рестрикционни ензими
Последователностите, разпознати от рестрикционните ензими, са симетрични, така че всякакъв вид прекъсвания могат да възникнат или в средата на такава последователност, или с изместване в едната или двете вериги на молекулата на ДНК.
Когато всяка ДНК се смила с рестрикционен ензим, последователностите в краищата на фрагментите ще бъдат същите. Те ще могат да се свържат отново, защото имат допълващи се региони.
Можете да получите една молекула, като съедините тези последователности с помощта на ДНК лигази. Благодарение на това е възможно да се комбинират фрагменти от две различни ДНК и да се получи рекомбинантна ДНК.
3.2. PCR
Методът се основава на способността на ДНК полимеразите да завършат втората верига на ДНК по протежение на комплементарна верига по същия начин, както по време на процеса на репликация на ДНК в клетката.
3.3. ДНК секвениране
Бързото развитие на метода за секвениране дава възможност за ефективно определяне на характеристиките на изследвания организъм на нивото на неговия геном. Основното предимство на такива геномни и постгеномни технологии е повишената способност за изследване и изучаване на генетичната природа на човешките заболявания, за да се вземат необходимите мерки предварително и да се избегнат заболявания.
Чрез широкомащабни изследвания е възможно да се получат необходимите данни за различните генетични характеристики на различни групи хора, като по този начин се разработят медицински методи. Поради това идентифицирането на генетичното предразположение към различни заболявания днес е много популярно.
Подобни методи са широко приложими почти по целия свят, включително и в Русия. Защото научен прогрестакива методи се въвеждат в медицинските изследвания и медицинската практика като цяло.
4. Биотехнология
Биотехнология- дисциплина, която изучава възможностите за използване на живи организми или техните системи за решаване на технологични проблеми, както и създаване на живи организми с желаните свойства чрез генно инженерство. Биотехнологиите прилагат методи на химията, микробиологията, биохимията и, разбира се, молекулярната биология.
Основните насоки на развитие на биотехнологиите (принципите на биотехнологичните процеси се въвеждат в производството на всички индустрии):
- Създаване и производство на нови видове храни и фуражи.
- Получаване и изследване на нови щамове микроорганизми.
- Отглеждане на нови сортове растения, както и създаване на средства за защита на растенията от болести и неприятели.
- Приложение на биотехнологични методи за екологични нужди. Такива биотехнологични методи се използват за преработка, изхвърляне на отпадъци, почистване Отпадъчни води, отработен въздух и възстановяване на почвата.
- Производство на витамини, хормони, ензими, серуми за медицински нужди. Биотехнолозите разработват подобрени лекарства, които преди се смятаха за нелечими.
Основно постижение на биотехнологиите е генното инженерство.
Генното инженерство- набор от технологии и методи за получаване на рекомбинантни РНК и ДНК молекули, изолиране на отделни гени от клетки, манипулиране на гени и въвеждането им в други организми (бактерии, дрожди, бозайници). Такива организми са способни да произвеждат крайни продукти с желаните, модифицирани свойства.
Методите на генното инженерство са насочени към конструиране на нови, несъществуващи досега комбинации от гени в природата.
Говорейки за постиженията на генното инженерство, не можем да не засегнем темата за клонирането. Клониранее метод на биотехнология, използван за получаване на идентично потомство на различни организми чрез безполово размножаване.
С други думи, клонирането може да се разглежда като процес на създаване на генетично идентични копия на организъм или клетка. А клонираните организми са подобни или дори идентични не само по външни характеристики, но и по генетично съдържание.
Известната овца Доли стана първият бозайник, клониран през 1966 г. Получава се чрез трансплантиране на ядрото на соматична клетка в цитоплазмата на яйцеклетката. Доли беше генетично копие на овцата, която донори клетъчното ядро. При естествени условия индивидът се формира от едно оплодено яйце, като е получил половината от генетичния материал от двама родители. По време на клонирането обаче генетичният материал е взет от клетката на един индивид. Първо, ядрото, което съдържа самата ДНК, е отстранено от зиготата. След това те извличат ядрото от клетката на възрастна овца и го имплантират в тази зигота, лишена от ядро, след което то се трансплантира в матката на възрастен и осигурява възможност за растеж и развитие.
Не всички опити за клониране обаче бяха успешни. Успоредно с клонирането на Доли е проведен експеримент за заместване на ДНК на други 273 яйцеклетки. Но само в един случай живо възрастно животно успя да се развие и расте напълно. След Доли учените се опитаха да клонират и други видове бозайници.
Един от видовете генно инженерство е редактиране на генома.
Инструментът CRISPR/Cas се основава на елемент от имунната защитна система на бактериите, който учените са адаптирали, за да въведат всякакви промени в ДНК на животни или растения.
CRISPR/Cas е един от биотехнологичните методи за манипулиране на отделни гени в клетките. Има огромен брой приложения за тази технология. CRISPR/Cas позволява на изследователите да разберат функцията на различни гени. За да направите това, просто трябва да изрежете интересния ген от ДНК и да проучите кои функции на тялото са засегнати.
някои практически приложениясистеми:
- Селско стопанство.Системите CRISPR/Cas могат да се използват за подобряване на културите. А именно да ги направим по-вкусни и питателни, както и топлоустойчиви. Възможно е да се дадат на растенията други свойства: например да се изреже алергенен ген от ядки (фъстъци или лешници).
- Медицина, наследствени болести.Учените имат за цел да използват CRISPR/Cas за премахване човешки геноммутации, които могат да причинят заболявания като сърповидно-клетъчна анемия и др. На теория развитието на ХИВ може да бъде спряно с помощта на CRISPR/Cas.
- Генно шофиране. CRISPR/Cas може да промени не само генома на отделно животно или растение, но и генофонда на даден вид. Тази концепция е известна като "генно шофиране". Всеки жив организъм предава половината от своите гени на своето потомство. Но използването на CRISPR/Cas може да увеличи вероятността за трансфер на гени с до 100%. Това е важно, за да може желаната черта да се разпространи по-бързо в популацията.
Швейцарски учени значително подобриха и модернизираха метода за редактиране на генома CRISPR/Cas, като по този начин разшириха неговите възможности. Учените обаче могат да променят само един ген наведнъж, използвайки системата CRISPR/Cas. Но сега изследователи от ETH Zurich са разработили метод, който може едновременно да модифицира 25 гена в клетка.
За най-новите техникиспециалистите са използвали ензима Cas12a. Генетици успешно клонираха маймуни за първи път в историята. "Популярна механика";
