Що вивчає молекулярна біологія коротко. Методи молекулярної біології та молекулярна біотехнологія

Можна сказати, що молекулярна біологія досліджує прояви життя на неживих структурах або системах з елементарними ознаками життєдіяльності (якими можуть бути окремі біологічні макромолекули, їх комплекси або органели), вивчаючи, яким чином ключові процеси, що характеризують живу матерію, реалізуються за допомогою хімічних взаємодій.

Виділення молекулярної біології з біохімії в самостійну галузь науки продиктовано тим, що її головним завданням є вивчення структури та властивостей біологічних макромолекул, що беруть участь у різних процесах, з'ясування механізмів їхньої взаємодії. Біохімія ж займається вивченням власне процесів життєдіяльності, закономірностей їхнього протікання в живому організмі та перетворень молекул, що супроводжують ці процеси. У кінцевому рахунку, молекулярна біологія намагається відповісти на питання, навіщо відбувається той чи інший процес, тоді як біохімія відповідає на питання де і як з точки зору хімії відбувається аналізований процес.

Історія

Молекулярна біологіяяк окремий напрямок біохімії почала формуватися в 30-х роках минулого століття. Саме тоді для поглибленого розуміння феномену життя виникла потреба у цілеспрямованих дослідженнях на молекулярному рівні процесів зберігання та передачі спадкової інформації у живих організмах. Тоді й визначилося завдання молекулярної біології у вивченні структури, властивостей та взаємодії нуклеїнових кислотта білків. Термін «молекулярна біологія» був уперше вжитий англійським ученим Вільямом Астбері в контексті досліджень, що стосувалися з'ясування залежностей між молекулярною структурою та фізичними та біологічними властивостями фібрилярних білків, таких як колаген, фібрин крові або скорочувальні білки м'язів.

На зорі виникнення молекулярної біології РНК вважалася компонентом рослин та грибів, а ДНК розглядалася як типовий компонент тваринних клітин. Першим дослідником, що довело, що ДНК міститься в рослинах, був Андрій Миколайович Білозерський, який виділив у 1935 році ДНК гороху. Це відкриття встановило той факт, що ДНК є універсальною нуклеїновою кислотою, присутньою у клітинах рослин та тварин.

Серйозним досягненням стало встановлення Джорджем Бідлом та Едуардом Татумом прямого причинно-наслідкового зв'язку між генами та білками. У своїх експериментах вони піддавали клітини нейроспори ( Neurosporacrassa) ретгенівського опромінення, що викликало мутації. Отримані результати показали, що це призводило зміну властивостей специфічних ферментів.

У 1940 році Альбер Клод виділив з цитоплазми тварин клітин цитоплазматичні РНК-містять гранули, які були меншими за мітохондрій. Він назвав їх мікросом. Згодом при дослідженні структури та властивостей виділених частинок була встановлена ​​їх основна роль у процесі біосинтезу білка. У 1958 році на першому симпозіумі, присвяченому цим частинкам, було вирішено називати ці частки рибосомами.

Ще одним важливим кроком у розвитку молекулярної біології стали опубліковані в 1944 дані експерименту Освальда Евері, Коліна МакЛауда і Макліна МакКарті, які показали, що причиною трансформації бактерій є ДНК. Це був перший експериментальний доказ ролі ДНК у передачі спадкової інформації, що розвінчало уявлення, що існувало раніше, про білкову природу генів.

На початку 50-х років Фредерік Сенгер показав, що білковий ланцюг є унікальною послідовністю амінокислотних залишків. Наприкінці 50-х років Макс Перуц та Джон Кендрю розшифрували просторову будову перших білків. Вже 2000 року відомі сотні тисяч природних амінокислотних послідовностей і тисячі просторових структур білків.

Приблизно в той же час дослідження Ервіна Чаргаффа дозволили йому сформулювати правила, що описують співвідношення азотистих основ в ДНК (правила говорять, що незалежно від видових відмінностей у ДНК кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину, а кількість аденіну і кількості теміна), що допомогло надалі зробити найбільший прорив у молекулярній біології та одне з найбільших відкриттів у біології взагалі.

Ця подія відбулася в 1953 році, коли Джеймс Уотсон і Френсіс Крик , ґрунтуючись на роботах Розалінди Франклін та Моріса Уілкінса рентгено-структурного аналізуДНК встановили двоспіральну структуру молекули ДНК. Це відкриття дозволило відповісти на важливе питання про здатність носія спадкової інформації до самовідтворення та зрозуміти механізм передачі такої інформації. Цими ж вченими було сформульовано принцип комплементарності азотистих основ, що має ключове значення для розуміння механізму утворення надмолекулярних структур. Це принцип, що застосовується тепер для опису всіх молекулярних комплексів, дозволяє описувати та передбачати умови виникнення слабких (невалентних) міжмолекулярних взаємодій, що зумовлюють можливість формування вторинної, третинної тощо. структури макромолекул, протікання самоскладання надмолекулярних біологічних систем, що визначають таку велику різноманітність молекулярних структур та їх функціональних наборів. Тоді ж, 1953 року виник науковий журнал Journal of Molecular Biology. Його очолив Джон Кендрю, сферою наукових інтересів якого було дослідження структури глобулярних білків (Нобелівська премія 1962 спільно з Максом Перуцем). Аналогічний російськомовний журнал під назвою "Молекулярна біологія" був заснований в СРСР В. А. Енгельгардтом у 1966 році.

У 1958 році Френсіс Крік сформулював т.зв. центральною догмою молекулярної біології: уявлення про незворотність потоку генетичної інформації від ДНК через РНК до білків за схемою ДНК→ДНК (реплікація, створення копії ДНК), ДНК→РНК (транскрипція, копіювання генів), РНК→ білок (трансляція, декодування інформації про структуру білків). Ця догма в 1970 році була дещо поправлена ​​з урахуванням накопичених знань, оскільки було відкрито явище зворотної транскрипції незалежно Ховардом Теміном і Девідом Балтімором: був виявлений фермент - ревертаза, що відповідає за здійснення зворотної транскрипції - утворення дволанцюгової ДНК на матриці одноланцюгової РНК вірусів. Слід зазначити, що сувора необхідність потоку генетичної інформації від нуклеїнових кислот до білків досі залишається основою молекулярної біології.

У 1957 році Олександр Сергійович Спірін разом з Андрієм Миколайовичем Білозерським показали, що, при істотних відмінностях у нуклеотидному складі ДНК із різних організмів, склад сумарних РНК подібний. На підставі цих даних вони дійшли сенсаційного висновку про те, що сумарна РНК клітини не може виступати як переносник генетичної інформації від ДНК до білків, оскільки не відповідає їй за своїм складом. Разом з тим вони помітили, що існує мінорна фракція РНК, яка повністю відповідає своєму нуклеотидному складу ДНК і яка може бути істинним переносником генетичної інформації від ДНК до білків. В результаті вони передбачили існування щодо невеликих молекул РНК, що є за будовою аналогами окремих ділянок ДНК і виконують роль посередників при передачі генетичної інформації, що міститься в ДНК, рибосому, де з використанням цієї інформації здійснюється синтез білкових молекул. У 1961 році (С. Бреннер, Ф. Жакоб, М. Месельсон з одного боку і Ф. Гро, Франсуа Жакоб і Жак Моно першими отримали дослідне підтвердження існування таких молекул – інформаційної (матричної) РНК. Тоді ж вони розробили концепцію та модель функціональної одиниці ДНК - оперона, яка дозволила пояснити, як саме здійснюється регуляція експресії генів у прокаріотів. іРНК – білок.

У 1961 році і протягом наступних декількох років Хайнріхом Маттеєм і Маршаллом Ніренбергом, а потім Харом Кораною і Робертом Холлі були проведені кілька робіт з розшифровки генетичного коду, в результаті яких була встановлена ​​безпосередня взаємозв'язок між структурою ДНК і синтезованими білками і визначена послідовність набір амінокислот у білку. Також було отримано дані про універсальність генетичного коду. Відкриття було відзначено нобелівською премією 1968 року.

Для розвитку сучасних уявлень про функції РНК вирішальним було відкриття РНК, що не кодують, зроблене за результатами робіт Олександра Сергійовича Спіріна спільно з Андрієм Миколайовичем Білозерським 1958 року, Чарльзом Бреннером із співавторами та Солом Шпігельманом 1961 року. Цей вид РНК становлять основну частину клітинних РНК. До некодуючих насамперед відносяться рибосомні РНК.

Серйозний розвиток отримали способи культивування та гібридизації тварин клітин. У 1963 році Франсуа Жакобом і Сіднеема Бреннером були сформульовані уявлення про реплікона - послідовність невід'ємно реплікованих генів, що пояснює важливі аспектирегуляції реплікації генів

У 1967 році в лабораторії А. С. Спіріна було вперше продемонстровано, що форма компактно згорнутої РНК визначає морфологію рибосомної частки.

1968 року було зроблено значне фундаментальне відкриття. Оказаки, виявивши фрагменти ДНК відстаючої ланцюга щодо процесу реплікації, названі на честь неї фрагментами Оказаки, уточнила механізм реплікації ДНК.

У 1970 році незалежно Ховардом Теміном і Девідом Балтімором було зроблено значне відкриття: був виявлений фермент - ревертаза, який відповідає за здійснення зворотної транскрипції - утворення дволанцюжкової ДНК на матриці одноланцюгової РНК, що відбувається у онкогенних вірусів, що містять РНК.

Ще одним важливим досягненням молекулярної біології стало пояснення механізму мутацій на молекулярному рівні. В результаті серії досліджень було встановлено основні типи мутацій: дуплікації, інверсії, делеції, транслокації та транспозиції. Це дозволило розглядати еволюційні зміни з погляду генних процесів, дозволило розробити теорію молекулярного годинника, яка застосовується у філогенії.

На початку 70-х років були сформульовані основні засади функціонування нуклеїнових кислот та білків у живому організмі. Було встановлено, що білки та нуклеїнові кислоти в організмі синтезуються за матричним механізмом, молекула-матриця несе у собі зашифровану інформацію про послідовність амінокислот (у білку) або нуклеотидів (в нуклеїновій кислоті). При реплікації (подвоєнні ДНК) або транскрипції (синтезі іРНК) такою матрицею служить ДНК, при трансляції (синтезі білка) або зворотній транскрипції – іРНК.

Таким чином, були створені теоретичні передумови для розвитку прикладних напрямківмолекулярної біології, зокрема, генетичної інженерії. У 1972 році Пол Берг, Герберт Боєр та Стенлі Коен розробили технологію молекулярного клонування. Тоді ними вперше було отримано у пробірці рекомбінантну ДНК. Ці визначні експерименти заклали основи генетичної інженерії, а цей рік вважається датою народження цього наукового напряму.

У 1977 році Фредерік Сенгер і незалежно Аллан Максам і Уолтер Гілберт розробили різні методи визначення первинної структури (секвенування) ДНК. Метод Сенгер, так званий метод обриву ланцюга, є основою сучасного методу секвенування. Принцип секвенування заснований на використанні мічених основ, що виступають як термінатори циклічної реакції секвенування. Цей метод набув широкого поширення завдяки можливості швидко проводити аналіз.

1976 р. – Фредерік. Сенгер розшифрував нуклеотидну послідовність ДНК фага φΧ174 завдовжки 5375 нуклеотидних пар.

1981 - серповидноклітинна анемія стає першою генетичною хворобою, що діагностується за допомогою аналізу ДНК.

1982-1983 відкриття каталітичної функції РНК в американських лабораторіях Т. Чека і С. Олтмана змінило уявлення про виняткову роль білків. За аналогією з каталітичними білками – ензимами, каталітичні РНК були названі рибозимами.

1987 Кері Мюллез відкрив полімеразну ланцюгову реакцію, завдяки якій можливо штучно значно збільшити кількість молекул ДНК в розчині для подальшої роботи. На сьогоднішній день це один з найбільш важливих методів молекулярної біології, що застосовується при дослідженні спадкових та вірусних захворювань, при вивченні генів та при генетичному встановленні особи та встановленні спорідненості тощо.

У 1990 році одночасно трьома групами вчених був опублікований метод, що дозволяв швидко отримувати в лабораторії синтетичні функціонально активні РНК (штучні рібозіми або молекули, що взаємодіють з різними лігандами - аптамери). Цей метод отримав назву «еволюція у пробірці». Невдовзі після цього, в 1991-1993 року у лабораторії А.Б. Четверина була експериментально показана можливість існування, зростання та ампліфікації молекул РНК у формі колоній на твердих середовищах.

У 1998 році практично одночасно Крейг Мелло і Ендрю Фаєр описали механізм, що спостерігався раніше при генних експериментах з бактеріями і квітами. РНК-інтерференції, При якому невелика дволанцюжкова молекула РНК призводить до специфічного придушення експресії гена

Відкриття механізму РНК-інтерференції має дуже важливе практичного значення для сучасної молекулярної біології. Це широко використовується в наукових експериментах як інструмент для «вимкнення», тобто придушення експресії окремих генів. Особливий інтерес викликаний тим, що цей спосіб дозволяє здійснювати оборотне (тимчасове) придушення активності генів, що вивчаються. Ведуться дослідження можливості застосування цього явища для лікування вірусних, пухлинних, дегенеративних та метаболічних захворювань. Слід зазначити, що в 2002 році були відкриті мутанти віруси поліомієліту, здатні уникати РНК-інтерференції, тому потрібна ще кропітка робота для розробки дійсно ефективних методів лікування на основі цього явища.

У 1999-2001 роках кількома групами дослідників визначено з роздільною здатністю від 5,5 до 2,4 ангстрем структуру бактеріальної рибосоми.

Предмет

Досягнення молекулярної біології у пізнанні живої природи важко переоцінити. Великих успіхів вдалося досягти завдяки успішній концепції досліджень: складні біологічні процеси розглядаються з позиції окремих молекулярних систем, що дозволяє застосовувати точні фізико-хімічні методи дослідження. Це також залучило в цю галузь науки багато великих розумів із суміжних напрямів: хімії, фізики, цитології, вірусології, що також сприятливо вплинуло на масштаби та швидкість розвитку наукових знань у цій галузі. Такі значні відкриття, як визначення структури ДНК, розшифровка генетичного коду, штучна спрямована модифікація геному, дозволили значно глибше зрозуміти специфіку процесів розвитку організмів і успішно вирішувати численні найважливіші фундаментальні та прикладні наукові, медичні та соціальні завдання, які ще недавно вважалися нерозв'язними.

Предметом вивчення молекулярної біології є в основному білки, нуклеїнові кислоти та молекулярні комплекси (молекулярні машини) на їх основі та процеси, в яких вони беруть участь.

Нуклеїнові кислоти є лінійними полімерами, що складаються з нуклеотидних ланок (з'єднань п'ятичленного цукру з фосфатною групою при п'ятому атомі циклу і однієї з чотирьох азотистих основ), з'єднаних між собою складноефірним зв'язком фосфатних груп. Таким чином, нуклеїнова кислота - це пентозофосфатний полімер з азотистими основами як бічні замісники. Хімічний склад ланцюжка РНК відрізняється від ДНК тим, що перша складається з п'ятичленного циклу вуглеводу рибози, тоді як друга - дегідрокслільованого похідного рибози - дезоксирибози. При цьому просторово ці молекули розрізняються кардинально, оскільки РНК – це гнучка одноланцюжкова молекула, тоді як ДНК – це дволанцюжкова молекула.

Білки - це лінійні полімери, що є ланцюжками альфа-амінокислот, з'єднаних між собою пептидним зв'язком, звідки їхня друга назва - поліпептиди. До складу природних білків входить безліч різних амінокислотних ланок - у людини до 20 - що визначає широке розмаїття функціональних властивостей цих молекул. Ті або інші білки беруть участь майже в кожному процесі в організмі і виконують безліч завдань: відіграють роль клітинного будівельного матеріалу, забезпечують транспорт речовин та іонів, каталізують хімічні реакції, - цей список дуже довгий. Білки утворюють стійкі молекулярні конформації різного рівня організації (вторинні та третинні структури) та молекулярні комплекси, що ще більше розширює їх функціонал. Ці молекули можуть мати високу специфічність до виконання будь-яких завдань завдяки утворенню складної просторової глобулярної структури. Велика різноманітність білків забезпечує постійний інтерес вчених до цього виду молекул.

Сучасні уявлення про предмет молекулярної біології засновані на узагальненні, висунутому вперше в 1958 Френсісом Криком як центральна догма молекулярної біології. Суть її полягала у твердженні, що генетична інформація у живих організмах проходить суворо певні етапи реалізації: копіювання з ДНК у ДНК вході успадкування, із ДНК у РНК, та був з РНК у білок, причому зворотний перехід не здійснимо. Це твердження було справедливе лише від частини, тому згодом центральна догма була поправлена ​​з огляду на нові дані, що відкрилися.

На даний момент відомо кілька шляхів реалізації генетичного матеріалу, що представляють різні послідовності здійснення трьох видівіснування генетичної інформації: ДНК, РНК та білок. У дев'яти можливих шляхах реалізації виділяють три групи: це три загальні перетворення (general), що здійснюються в нормі в більшості живих організмів; три особливі перетворення (special), що здійснюються в деяких вірусах або в особливих лабораторних умовах; три невідомі перетворення (unknown), здійснення яких, як вважається, неможливе.

До загальних перетворень відносяться такі шляхи реалізації генетичного коду: ДНК → ДНК (реплікація), ДНК → РНК (транскрипція), РНК → білок (трансляція).

Для передачі спадкових ознак батькам необхідно передати нащадкам повноцінну молекулу ДНК. Процес, завдяки якому з урахуванням вихідної ДНК то, можливо синтезована її точна копія, отже, може бути переданий генетичний матеріал, називається реплікацією. Він здійснюється спеціальними білками, які розплутують молекулу (випрямляють її ділянку), розплетають подвійну спіраль і з допомогою ДНК-полимеразы створюють точну копію вихідної молекули ДНК.

Для забезпечення життєдіяльності клітини їй необхідно постійно звертатися до генетичного коду, закладеного у подвійній спіралі ДНК. Проте ця молекула занадто велика і неповоротка застосування її як безпосереднього джерела генетичного матеріалу для безперервного синтезу білка. Тому в ході реалізації інформації, закладеної в ДНК, є посередницька стадія: синтез іРНК, що є невеликою одноланцюжковою молекулою, комплементарною певному відрізку ДНК, що кодує деякий білок. Процес транскрипції забезпечується РНК-полімеразою та факторами транскрипції. Отримана молекула може бути легко доставлена ​​у відділ клітини, відповідальний за синтез білка - рибосому.

Після потрапляння та РНК у рибосому настає остання стадія реалізації генетичної інформації. При цьому рибосома зчитує з іРНК генетичний код триплетами, що називаються кодонами і синтезує на основі інформації, що отримується, відповідний білок.

У результаті спеціальних перетворень генетичний код реалізується за схемою РНК→РНК (реплікація), РНК→ДНК (зворотна транскрипція), ДНК→белок (пряма трансляція). Реплікація такого виду реалізується в багатьох вірусах, де здійснюється ферментом РНК-залежної РНК-полимеразой. Аналогічні ферменти знаходяться і в клітинах еукаріотів, де вони пов'язані з процесом РНК-глушення (silencing). Зворотна транскрипція виявлена ​​в ретровірусах, де вона здійснюється під дією ферменту зворотної транскриптази, а також в деяких випадках в клітинах еукаріотів, наприклад, при теломерному синтезі. Пряма трансляція здійснюється лише у штучних умовах в ізольованій системі поза клітиною.

Будь-який із трьох можливих переходів генетичної інформації з білка в білок, РНК або ДНК вважається неможливим. Випадок впливу пріонів на білки, в результаті якого утворюється аналогічний пріон, умовно можна було б віднести до реалізації генетичної інформації білок→білок. Тим не менш, формально він таким не є, оскільки не торкається амінокислотної послідовності в білку.

Цікавою є історія виникнення терміна «центральна догма». Оскільки слово догма в загальному випадку означає твердження, яке не підлягає сумніву, а саме слово має явний релігійний підтекст, вибір його як опис наукового факту не зовсім правомірний. За словами самого Френсіса Крика, це була його помилка. Він хотів надати що висувається теорії більшої значимості, виділити її і натомість інших теорій і гіпотез; навіщо вирішив використати це величне, на його уявлення, слово, не розуміючи його істинного сенсу. Назва ця, однак, прижилася.

Молекулярна біологія сьогодні

Бурхливий розвиток молекулярної біології, постійний інтерес до досягнень у цій галузі з боку суспільства та об'єктивна важливість досліджень призвели до виникнення великої кількостіВеликі науково-дослідні центри молекулярної біології по всьому світу. Серед найбільших слід згадати такі: лабораторія молекулярної біології у Кембриджі, Королівський інститут у Лондоні – у Великій Британії; інститути молекулярної біології у Парижі, Марселі та Страсбурзі, Пастерівський інститут – у Франції; відділи молекулярної біології в Гарвардському університеті та Массачусетському технологічному інституті, університеті в Берклі, Каліфорнійському технологічному інституті, в Рокфеллерівському університеті, в інституті охорони здоров'я в Бетесді - в США; інститути Макса Планка, університети в Геттінгені та Мюнхені, Центральний інститут молекулярної біології в Берліні, інститути в Єні та Халлі – у Німеччині; Каролінський інститут у Стокгольмі у Швеції.

У Росії її провідними центрами у цій галузі є Інститут молекулярної біології ім. В.А.Енгельгардта РАН, Інститут молекулярної генетики РАН, Інститут біології гена РАН, Інститут фізико-хімічної біології ім. А. Н. Білозерського МДУ ім. М.В.Ломоносова, Інститут біохімії ім. А.Н.Баха РАН та Інститут білка РАН у Пущині.

Сьогодні галузь інтересів молекулярних біологів охоплює широкий спектр фундаментальних наукових питань. Як і раніше провідну роль займає вивчення структури нуклеїнових кислот та біосинтезу білка, дослідження будови та функцій різних внутрішньоклітинних структур, та клітинних поверхонь. Також важливими напрямами досліджень є вивчення механізмів рецепції та передачі сигналів, молекулярних механізмів транспорту сполук усередині клітини, а також із клітини у зовнішнє середовище та назад. Серед основних напрямів наукового пошуку області прикладної молекулярної біології однією з найбільш пріоритетних є проблема виникнення та розвитку пухлин. Також дуже важливим напрямком, вивченням якого займається розділ молекулярної біології - молекулярна генетика, є вивчення молекулярних основ виникнення спадкових захворювань та вірусних захворювань, наприклад, СНІДу, а також розробка способів їх попередження і, можливо, лікування генетично. Широке застосування знайшли відкриття та розробки молекулярних біологів у судовій медицині. Реальна революція в області ідентифікації особистості була зроблена в 80-х роках вченими з Росії, США та Великобританії завдяки розробці та впровадженню у повсякденну практику методу «геномної дактилоскопії» - встановлення особи за ДНК. Дослідження в цій галузі не припиняються і до цього дня, сучасні методи дозволяють встановлювати особистість із ймовірністю помилки – одна мільярдна відсотка. Вже зараз триває активна розробка проекту генетичного паспорта, що, як передбачається, дозволить значно знизити рівень злочинності.

Методологія

Сьогодні молекулярна біологія має у своєму розпорядженні великий арсенал методів, що дозволяють вирішувати найпередовіші і найскладніші завдання, що стоять перед вченими.

Одним із найпоширеніших методів у молекулярній біології є гель-електрофорез, який вирішує завдання поділу суміші макромолекул за розміром або зарядом. Майже завжди після поділу макромолекул у гелі застосовується блоттінг, метод, що дозволяє переносити макромолекули з гелю (сорбувати) на поверхню мембрани для зручності подальшої роботи з ними, зокрема гібридизації. Гібридизація - формування гібридної ДНК із двох ланцюгів, що мають різну природу, - метод, що грає важливу роль у фундаментальних дослідженнях. Він застосовується для визначення комплементарнихвідрізків у різних ДНК (ДНК різних видів), з його допомогою відбувається пошук нових генів, з його допомогою було відкрито РНК інтерференція, яке принцип ліг основою геномної дактилоскопії.

Велику роль у сучасній практиці молекулярно-біологічних досліджень відіграє метод секвенування - визначення послідовності нуклеотидів у нуклеїнових кислотах та амінокислот у білках.

Сучасну молекулярну біологію неможливо уявити без методу полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Завдяки цьому методу здійснюється збільшення кількості (ампліфікація) копій деякої послідовності ДНК, щоб дозволяє отримати з однієї молекули достатньо речовини для подальшої роботи з ним. Аналогічний результат досягається технологією молекулярного клонування, в якій нуклеотидна послідовність, що вимагається, впроваджується в ДНК бактерії (живих систем), після чого розмноження бактерій призводить до необхідного результату. Цей підхід технічно значно складніший, проте дозволяє одночасно отримувати результат експресії нуклеотидної послідовності, що досліджується.

Також у молекулярно-біологічних дослідженнях широко застосовуються методи ультрацентрифугування (для поділу макромолекул (великих кількостей), клітин, органел), методи електронної та флуоресцентної мікроскопії, спектрофотометричні методи, рентгеноструктурний аналіз, авторадіографія тощо.

Завдяки технічному прогресу та науковим дослідженням у галузі хімії, фізики, біології та інформатики сучасне обладнання дозволяє виділяти, вивчати та змінювати окремі гени та процеси, до яких вони залучені.

Розвиток біохімії, біофізики, генетики, цитохімії, багатьох розділів мікробіології та вірусології приблизно на початок 40-х років XX ст. впритул підвело до вивчення життєвих явищ на молекулярному рівні. Успіхи, досягнуті цими науками, одночасно і з різних сторін призвели до усвідомлення того факту, що саме на молекулярному рівні функціонують основні керуючі системи організму і що подальший прогрес цих наук залежатиме від розкриття біологічних функцій молекул, що становлять тіла організмів, їх участі у синтезі та розпаду, взаємних перетвореннях та репродукції сполук у клітині, а також обміну енергією та інформацією, що відбувається при цьому. Так на стику цих біологічних дисциплін з хімією та фізикою виникла зовсім нова галузь – молекулярна біологія.

На відміну від біохімії, увага сучасної молекулярної біології зосереджена переважно на вивченні структури та функції найважливіших класів біополімерів – білків та нуклеїнових кислот, перші з яких визначають саму можливість протікання обмінних реакцій, а другі – біосинтез специфічних білків. Зрозуміло тому, що чітке розмежування молекулярної біології та біохімії, відповідних розділів генетики, мікробіології та вірусології неможливо.

Виникнення молекулярної біології було тісно пов'язане з розробкою нових методів дослідження, про які вже йшлося у відповідних розділах. Поряд із розвитком електронної мікроскопії та інших методів мікроскопічної техніки велику роль відіграли розроблені у 50-х роках методи фракціонування клітинних елементів. Вони ґрунтувалися на вдосконалених методах диференціального центрифугування (А. Клод, 1954). До цього часу вже були досить надійні способи виділення та фракціонування біополімерів. Сюди належить, зокрема, запропонований А. Тизеліусом (1937; Нобелівська премія, 1948) метод фракціонування білків за допомогою електрофорезу, методи виділення та очищення нуклеїнових кислот (Е. Кей, А. Даунс, М. Севаг, А. Мирський та ін. ). Паралельно у багатьох лабораторіях світу розроблялися різні методи хроматографічного аналізу (А. Мартін та Р. Сінг, 1941; Нобелівська премія, 1952), згодом суттєво вдосконалені.

Неоціненну послугу у розшифровці структури біополімерів зіграв рентгеноструктурний аналіз. Основні принципи рентгеноструктурного аналізу було розроблено у Королівському коледжі Лондонського університету під керівництвом У. Брегга групою дослідників, куди входили Дж. Бернал, А. Лондсдейл, У. Астбері, Дж. Робертсон та інших.

Слід особливо відзначити дослідження професора Московського державного університету А. Р. Кізеля з біохімії протоплазми (1925 – 1929), що мали найважливіше значення для подальшого становлення молекулярної біології. Кизель завдав удару міцно укоренився уявленню, що в основі будь-якої протоплазми лежить особливе білкове тіло - пластин, що нібито визначає всі її найважливіші структурні та функціональні особливості. Він показав, що пластини - це білок, який зустрічається тільки у міксоміцетів, і то на певній стадії розвитку, і що жодного постійного компонента - єдиного скелетного білка - у протоплазмі не існує. Тим самим вивчення проблеми будови протоплазми та функціональної ролі білків вийшло на правильний шлях і одержало простір для свого розвитку. Дослідження Кізеля завоювали світове визнання, стимулювавши вивчення хімії складових частин клітини.

Термін "молекулярна біологія", вперше використаний англійським кристалографом професором Лідського університету У. Астбері, виник, ймовірно, на початку 40-х років (до 1945 р.). Основні рентгеноструктурні дослідження білків і ДНК, проведені Астбері в 30-х роках, послужили основою для подальшого успішного розшифрування вторинної структури цих біополімерів. У 1963 р. Дж. Бернал писав: "Пам'ятник йому буде встановлено всією молекулярною біологією - наукою, яку він назвав і справді заснував" * , У літературі цей термін з'явився вперше, мабуть, у 1946 р. у статті У. Астбері "Прогрес рентгеноструктурного" аналізу органічних та фібрилярних сполук", опублікованій в англійському журналі "Природа"**. У своїй Гарвіївській лекції Астбері (1950) відзначав: "Мені приємно, що зараз термін молекулярна біологія вже досить широко вживається, хоча мало ймовірно, що я першим запропонував його. Він мені подобався і я вже давно намагався його поширювати". Вже в 1950 р. Астбері було ясно, що молекулярна біологія має справу насамперед із структурою та конформацією макромолекул, вивчення яких має вирішальне значення для розуміння функціонування живих організмів.

* (Biogr. Mem. Fellows Roy. Soc, 1963, v. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. Progress of X-ray analysis of organic and fibre structures.- Nature,. 1946, v. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. Adventures in Molecular Biology. Thomas Springfield, 1952, p. 3.)

Перед молекулярною біологією стояли і стоять, власне, ті самі завдання, що і перед усією біологією в цілому, - пізнання сутності життя та його основних явищ, зокрема таких, як спадковість та мінливість. Сучасна молекулярна біологія насамперед покликана розшифрувати структуру та функцію генів, шляхи та механізми реалізації генетичної інформації організмів на різних стадіях онтогенезу та на різних етапах її зчитування. Вона покликана розкрити тонкі механізми регуляції активності генів та клітинної диференціювання, з'ясувати природу мутагенезу та молекулярні основи еволюційного процесу.

Встановлення генетичної ролі нуклеїнових кислот

Для становлення молекулярної біології найбільше значення мали такі відкриття. У 1944 р. американські дослідники О. Евері, К. Мак-Леод (Нобелевська премія, 1923) і М. Мак-Карті показали, що виділені з пневмококів молекули ДНК мають трансформуючу активність. Після гідролізу цих ДНК дезоксирибонуклеазою їхня трансформуюча активність повністю зникала. Тим самим було вперше було переконливо доведено, що генетичними функціями у клітині наділена саме ДНК, а чи не білок.

Заради справедливості слід зазначити, що явище бактеріальної трансформації було виявлено значно раніше відкриття Евері, Мак-Леода та Мак-Карті. У 1928 р. Ф. Гріффіт опублікував статтю, в якій повідомив, що після додавання до невірулентних (некапсульованих) пневмококів вбитих клітин капсульованого вірулентного штаму отримувана суміш клітин стає згубною для мишей. Більш того, живі клітини пневмококів, що виділяються із заражених цією сумішшю тварин, були вже вірулентними і мали полісахаридну капсулу. Тим самим у цьому досвіді було показано, що під впливом якихось компонентів убитих клітин пневмококів некапсульована форма бактерій перетворюється на капсулоутворюючу вірулентну форму. Через 16 років Евері, Мак-Леод і Мак-Карті замінили в цьому досвіді вбиті цілі клітини пневмококів їх дезоксирибонуклеїновою кислотою і показали, що саме ДНК має трансформуючу активність (див. також розділи 7 і 25). Значення цього відкриття важко переоцінити. Воно стимулювало вивчення нуклеїнових кислот у багатьох лабораторіях світу та змусило сконцентрувати увагу вчених саме на ДНК.

Поруч із відкриттям Эвери, Мак-Леода і Мак-Карти на початку 50-х вже накопичилося досить багато прямих і непрямих даних у тому, що нуклеїнові кислоти грають виняткову роль життєдіяльності і несуть генетичну функцію. На це, зокрема, вказував і характер локалізації ДНК у клітині та дані Р. Вендрелі (1948) про те, що вміст ДНК на клітину строго постійно і корелює зі ступенем плідності: у гаплоїдних статевих клітинах ДНК вдвічі менше, ніж у диплоїдних соматичних. На користь генетичної ролі ДНК свідчила також її виражена метаболічна стабільність. До початку 50-х років накопичилося багато різноманітних фактів, що свідчили, що більшість відомих мутагенних факторів діють переважно на нуклеїнові кислоти і, особливо, на ДНК (Р. Хочкісс, 1949; Г. Ефруссі-Тейлор, 1951; Е. Фріз , 1957 та ін.).

Особливого значення у встановленні генетичної ролі нуклеїнових кислот мало вивчення різних фагів та вірусів. У 1933 р. Д. Шлезінгер знайшов ДНК у бактеріофазі кишкової палички. З моменту виділення У. Стенлі (1935, Нобелівська премія, 1946) вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ) у кристалічному стані розпочався новий етап у вивченні рослинних вірусів. У 1937 – 1938 рр. Співробітники Ротамстедської сільськогосподарської станції (Англія) Ф. Боуден і Н. Пірі показали, що багато виділених ними рослинних вірусів є не глобулінами, а являють собою рибонуклеопротеїди і містять як обов'язковий компонент нуклеїнову кислоту. На самому початку 40-х років були опубліковані роботи Г. Шрамма (1940), П. А. Агатова (1941), Г. Міллера та У. Стенлі (1941), що свідчили про те, що помітна хімічна модифікація білкового компонента не призводить до втрати інфекційності ВТМ. Це вказувало на те, що білковий компонент не може бути носієм спадкових властивостей вірусу, як продовжували вважати багато мікробіологів. Переконливі докази на користь генетичної ролі нуклеїнової кислоти (РНК) у рослинних вірусів були отримані у 1956 р. Г. Шраммом у Тюбінгені (ФРН) та X. Френкель-Конратом у Каліфорнії (США). Ці дослідники практично одночасно і незалежно один від одного виділили з ВТМ РНК і показали, що саме вона, а не білок, має інфекційність: у результаті зараження рослин тютюну цієї РНК у них відбувалося формування та розмноження нормальних вірусних частинок. Це означало, що РНК містить інформацію для синтезу та збирання всіх вірусних компонентів, у тому числі і вірусного білка. У 1968 р. І. Р. Атабеков встановив, що білок грає істотну роль при зараженні рослин - природою білка визначається спектр рослин-господарів.

У 1957 р. Френкель-Конрат вперше здійснив реконструкцію ВТМ із складових його компонентів – РНК та білка. Поряд із нормальними частинками він отримав змішані "гібриди", у яких РНК була від одного штаму, а білок - від іншого. Спадковість таких гібридів повністю визначалася РНК, і потомство вірусів належало до того штаму, РНК якого було використано отримання вихідних змішаних частинок. Пізніше досліди А. Гірера, Г. Шустера та Г. Шрамма (1958) та Г. Вітмана (1960 – 1966) показали, що хімічна модифікація нуклеїнового компонента ВТМ призводить до появи різноманітних мутантів цього вірусу.

У 1970 р. Д. Балтімор і Р. Темін встановили, що перенесення генетичної інформації може відбуватися як від ДНК до РНК, а й навпаки. Вони виявили у деяких онкогенних РНК-вірусів (онкорнавіруси) особливий фермент, так звану зворотну транскриптазу, який здатний на ланцюгах РНК комплементарно синтезувати ДНК. Це велике відкриття дозволило зрозуміти механізм вбудовування в геном господаря генетичної інформації РНК-вірусів і по-новому поглянути на природу їх онкогенної дії.

Відкриття нуклеїнових кислот та вивчення їх властивостей

Термін нуклеїнових кислот був введений німецьким біохіміком Р. Альтманом в 1889 р., після того, як ці сполуки були відкриті в 1869 р. швейцарським лікарем Ф. Мішером. Мішер екстрагував клітини гною розведеною соляною кислотою протягом кількох тижнів та отримав у залишку майже чистий ядерний матеріал. Цей матеріал він вважав характерною речовиною клітинних ядер і назвав його нуклеїном. За своїми властивостями нуклеїн різко відрізнявся від білків: він був більш кислим, не містив сірку, зате в ньому було багато фосфору, він добре розчинявся в лугах, але не розчинявся в розведених кислот.

Результати своїх спостережень над нуклеїном Мішер направив Гоппе-Зейлеру для опублікування в журналі. Описана ним речовина була настільки незвичайною (тоді з усіх біологічних сполук фосфору був відомий тільки лецитин), що Гоппе-Зейлер не повірив досвідам Мішера, повернув йому рукопис і доручив своїм співробітникам М. Плошу та Н. Любавіну перевірити його висновки на іншому матеріалі. . Робота Мішера "Про хімічний склад клітин гною" побачила світ двома роками пізніше (1871). У той же час були опубліковані роботи Гоппе-Зейлера та його співробітників щодо складу клітин гною, еритроцитів птахів, змій та інших клітин. Протягом наступних трьох років нуклеїн був виділений із тварин клітин та дріжджів.

У своїй роботі Мішер зазначав, що детальне вивчення різних нуклеїнів може призвести до встановлення відмінностей між ними, передбачивши цим ідею специфічності нуклеїнових кислот. Досліджуючи молоко лосося, Мішер встановив, що нуклеїн знаходиться в них у вигляді солі і пов'язаний з основним білком, який він назвав протаміном.

У 1879 р. в лабораторії Гоппе-Зейлер вивченням нуклеїнів почав займатися А. Коссель. У 1881 р. він виділив з нуклеїну гіпоксантин, однак у той час він ще сумнівався у походженні цієї основи та вважав, що гіпоксантин може бути продуктом деградації білків. У 1891 р. серед продуктів гідролізу нуклеїну Коссель виявив аденін, гуанін, фосфорну кислоту та ще одну речовину з властивостями цукру. За дослідження з хімії нуклеїнових кислот Косселю у 1910 р. було присуджено Нобелівську премію.

Подальші успіхи у розшифровці структури нуклеїнових кислот пов'язані з дослідженнями П. Левіна та співробітників (1911 – 1934). У 1911 р. П. Левін та В. Жакобс ідентифікували вуглеводний компонент аденозину та гуанозину; вони встановили, що до складу цих нуклеозидів входить D-рибоза. У 1930 р. Левін показав, що вуглеводним компонентом дезоксирибонуклеозидів є 2-дезокси-D-рибоза. З його робіт стало відомо, що нуклеїнові кислоти побудовані з нуклеотидів, тобто фосфорильованих нуклеозидів. Левін вважав, що основним типом зв'язку в нуклеїнових кислотах (РНК) є 2", 5"-фосфодіефірний зв'язок. Це уявлення виявилося помилковим. Завдяки роботам англійського хіміка А. Тодда (Нобелевська премія, 1957) та його співробітників, а також англійських біохіміків Р. Маркхема та Дж. Сміта на початку 50-х років стало відомо, що основним типом зв'язку в РНК є 3", 5"- фосфодіефірний зв'язок.

Левін показав, що різні нуклеїнові кислоти можуть відрізнятися за природою вуглеводного компонента: одні містять цукор дезоксирибозу, інші - рибозу. Крім того, зазначені два типи нуклеїнових кислот розрізнялися за природою однієї з основ: у нуклеїнових кислотах пентозного типу містився урацил, а в нуклеїнових кислотах дезоксипентозного типу – тимін. Дезоксипентозну нуклеїнову кислоту (за сучасною термінологією, дезоксирибонуклеїнова кислота – ДНК) зазвичай легко виділяли у великих кількостях із тимусу (зобної залози) телят. Тому вона отримала назву тимонуклеїнової кислоти. Джерелом нуклеїнової кислоти пентозного типу (РНК) служили головним чином дріжджі та зародки пшениці. Цей тип часто називали дріжджовою нуклеїновою кислотою.

На початку 30-х років досить міцно укорінилося уявлення, ніби для рослинних клітин характерна нуклеїнова кислота дріжджового типу, а тимонуклеїнова кислота властива лише ядрам тваринних клітин. Два типи нуклеїнових кислот - РНК і ДНК - тоді називали відповідно рослинної і тваринної нуклеїновими кислотами. Проте, як показали ранні дослідження А. Н. Білозерського, такий поділ нуклеїнових кислот є невиправданим. У 1934 р. Білозерський вперше виявив тимонуклеїнову кислоту в рослинних клітинах: з проростків гороху він виділив та ідентифікував тімін-піримідинову основу, характерну саме для ДНК. Потім він виявив тімін і в інших рослинах (насінні сої, квасолі). У 1936 р. А. Н. Білозерський та І. І. Дубровська виділили препаративно ДНК із проростків кінського каштана. Крім того, серія робіт, виконаних у 40-х роках в Англії Д. Девідсоном із співробітниками, переконливо показала, що рослинна нуклеїнова кислота (РНК) міститься у багатьох тваринних клітинах.

Широке застосування розробленої Р. Фельгеном та Г. Розенбеком (1924) цитохімічної реакції на ДНК і реакції Ж. Браше (1944) на РНК дозволило досить швидко і однозначно вирішити питання про переважну локалізацію цих нуклеїнових кислот у клітині. Виявилося, що ДНК зосереджена в ядрі, тоді як РНК концентрується переважно в цитоплазмі. Пізніше було з'ясовано, що РНК міститься як у цитоплазмі, так і в ядрі, а крім того, були виявлені цитоплазматичні ДНК.

Що стосується питання про первинну структуру нуклеїнових кислот, то до середини 40-х років у науці міцно утвердилося уявлення П. Левіна, згідно з яким усі нуклеїнові кислоти побудовані за одним типом і складаються з однакових так званих тетрануклеотидних блоків. У кожному з цих блоків, на думку Левіна, міститься чотири різні нуклеотиди. Тетрануклеотидна теорія будови нуклеїнових кислот значною мірою позбавляла ці біополімери специфічності. Тому не дивно, що всю специфіку живого пов'язували тоді лише з білками, природа мономерів яких набагато різноманітніша (20 амінокислот).

Першу пролом теоренуклеотидного будови нуклеїнових кислот пробили аналітичні дані англійського хіміка Дж. Гуланда (1945 - 1947). При визначенні складу нуклеїнових кислот азоту підстав він не отримав еквімолярного співвідношення підстав, як це мало б бути згідно з теорією Левіна. Остаточно тетрануклеотидна теорія будови нуклеїнових кислот впала в результаті досліджень Е. Чаргаффа та його співробітників (1949 – 1951). Для поділу основ, що вищеплюються з ДНК внаслідок її кислотного гідролізу, Чаргафф використовував хроматографію на папері. Кожна з цих підстав була точно визначена спектрофотометрично. Чаргафф помітив значні відхилення від еквімолярного співвідношення підстав у ДНК різного походження і вперше виразно заявив, що ДНК має виражену видову специфічність. Тим самим було покінчено з гегемонією концепції про специфічність білка у живій клітині. Аналізуючи ДНК різного походження, Чаргафф відкрив і сформулював унікальні закономірності складу ДНК, що увійшли до науки під назвою правил Чаргаффа. Згідно з цими правилами, у всіх ДНК, незалежно від походження, кількість аденіну дорівнює кількості тиміну (А = Т), кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину (Г = Ц), кількість пуринів дорівнює кількості піримідинів (Г + А = Ц + Т), кількість основ з 6-аміногрупами дорівнює кількості основ з 6-кетогруп-пами (А+Ц=Г+Т). Разом про те, попри такі суворі кількісні відповідності, ДНК різних видів відрізняються за величиною відношення А+Т:Г+Ц. В одних ДНК кількість гуаніну та цитозину переважає над кількістю аденіну та тиміну (ці ДНК Чаргафф назвав ДНК ГЦ-типу); інші ДНК містили аденіну та тиміну більше, ніж гуаніну та цитозину (ці ДНК були названі ДНК АТ-типу). Отримані Чаргаффом дані щодо складу ДНК зіграли виняткову роль молекулярної біології. Саме вони лягли в основу відкриття будови ДНК, зробленої в 1953 Дж. Уотсоном і Ф. Криком.

Ще в 1938 р. У. Астбері і Ф. Белл за допомогою рентгеноструктурного аналізу показали, що площини основ у ДНК повинні бути перпендикулярними до довгої осі молекули і нагадувати як би стос пластин, що лежать один над одним. У міру вдосконалення техніки рентгеноструктурного аналізу до 1952 – 1953 рр. накопичилися відомості, що дозволили судити про довжину окремих зв'язків та кутах нахилу. Це дозволило з найбільшою ймовірністю уявити характер орієнтації кілець пентозних залишків у сахарофосфатном кістяку молекули ДНК. У 1952 р. С. Фарберг запропонував дві умоглядні моделі ДНК, які представляли складену або закручену саму на себе однотяжку молекулу. Не менш спекулятивна модель будови ДНК була запропонована у 1953 р. Л. Полінгом (лауреат Нобелівської премії, 1954) та Р. Корі. У цій моделі три закручені ланцюги ДНК утворювали довгу спіраль, стрижень якої було представлено фосфатними групами, а підстави розташовувалися зовні від нього. До 1953 М. Вілкінс і Р. Франклін отримали більш чіткі рентгеноструктурні картини ДНК. Їхній аналіз показав повну неспроможність моделей Фарберга, Полінга та Корі. Використовуючи дані Чаргаффа, зіставляючи різні поєднання молекулярних моделей окремих мономерів та дані рентгеноструктурного аналізу, Дж. Вотсон і Ф. Крик у 1953 р. дійшли висновку, що молекула ДНК має бути двотяжкою спіраллю. Правила Чаргаффа різко обмежили кількість можливих упорядкованих поєднань основ у запропонованій моделі ДНК; вони підказали Уотсону і Крику, що у молекулі ДНК має бути специфічне спарювання основ - аденіну з тиміном, а гуаніну з цитозином. Іншими словами аденіну в одному ланцюзі ДНК завжди суворо відповідає тиміну в іншому ланцюзі, а гуаніну в одному ланцюзі обов'язково відповідає цитозин в інший. Тим самим Уотсон і Крик вперше сформулювали виняткову важливість принцип комплементарної будови ДНК, згідно з яким один ланцюг ДНК доповнює іншу, тобто послідовність підстав одного ланцюга однозначно визначає послідовність підстав в іншому (комплементарному) ланцюгу. Стало очевидно, що у самій структурі ДНК закладено потенційну можливість її точного відтворення. Ця модель будови ДНК нині є загальновизнаною. За розшифровку структури ДНК Крику, Вотсону та Вілкінсу в 1962 р. було присуджено Нобелівську премію.

Слід зазначити, що ідея про механізм точного відтворення макромолекул та передачу спадкової інформації зародилася в нашій країні. У 1927 р. Н. К. Кольцов висловив припущення, що при розмноженні клітин відбувається репродукція молекул шляхом точного автокаталітичного відтворення наявних материнських молекул. Щоправда, тоді Кольцов наділяв цим властивістю не молекули ДНК, а молекули білкової природи, про функціональному значенні яких тоді нічого було відомо. Проте сама думка про автокаталітичне відтворення макромолекул і механізм передачі спадкових властивостей виявилася пророчою: вона стала керівною ідеєю сучасної молекулярної біології.

Проведені в лабораторії А. Н. Білозерського А. С. Спіріним, Г. Н. Зайцевою, Б. Ф. Ванюшиним, С. О. Урисон, А. С. Антоновим та іншими багаторічними дослідженнями (1957-1974) складу ДНК у самих різноманітних організмів повністю підтвердили закономірності, виявлені Чаргаффом, та повну відповідність з молекулярною моделлю будови ДНК, запропонованою Вотсоном та Криком. Ці дослідження показали, що ДНК різних бактерій, грибів, водоростей, актиноміцетів, вищих рослин, безхребетних і хребетних мають специфічність складу. Особливо різко відмінності у складі (змісті АТ-пар основ) виражені у мікроорганізмів, виявляючись важливою таксономічною ознакою. У вищих рослин та тварин видові варіації у складі ДНК виражені значно слабкіше. Але це зовсім не означає, що ДНК у них менш специфічна. Крім складу підстав специфічність переважно визначається їх послідовністю в ланцюгах ДНК.

Поряд із звичайними основами у складі ДНК та РНК були виявлені додаткові азотисті основи. Так, у складі ДНК рослин та тварин Г. Уайт (1950) знайшов 5-метилцитозин, а Д. Данн та Дж. Сміт (1958) виявили в деяких ДНК метильований аденін. Довгий час метилцитозин вважався характерною рисою генетичного матеріалу вищих організмів. У 1968 р. А. Н. Білозерський, Б. Ф. Ванюшин та Н. А. Кокуріна встановили, що він може зустрічатися також і в ДНК бактерій.

У 1964 р. М. Голд та Дж. Хурвітц відкрили новий клас ферментів, що здійснюють природну модифікацію ДНК – її метилювання. Після цього відкриття стало ясно, що мінорні (що містяться в малих кількостях) основи виникають вже на готовому полінуклеотидному ланцюзі ДНК у результаті специфічного метилювання залишків цитозину та аденіну в особливих послідовностях. Зокрема, за даними Б. Ф. Ванюшина, Я. І. Бур'янова та А. Н. Білозерського (1969) метилювання аденіну в ДНК кишкової палички може відбуватися в термінуючих кодонах. За даними А. Н. Білозерського та співробітників (1968 – 1970), а також М. Мезельсона (США) та В. Арбера (Швейцарія) (1965 – 1969) метилювання надає молекулам ДНК унікальні індивідуальні риси та у поєднанні з дією специфічних нуклеаз є частиною складного механізму, який здійснює контроль за синтезом ДНК у клітині. Іншими словами, характер метилювання тієї чи іншої ДНК визначає питання про те, чи вона може розмножуватися в даній клітині.

Практично в той же час почалося виділення та інтенсивне вивчення ДНК-метилаз та рестрикуючих ендонуклеаз; у 1969 – 1975 рр. встановлені нуклеотидні послідовності, відомі в ДНК деякими з цих ферментів (X. Бойєр, X. Сміт, С. Лін, К. Муррей). При гідролізі різних ДНК рестрицирующим ферментом вивіваються досить великі фрагменти з однаковими "липкими" кінцями. Це дає можливість як аналізувати структуру генів, як це зроблено в невеликих вірусів (Д. Натанс, З. Адлер, 1973 - 1975), а й конструювати різні геноми. З відкриттям цих специфічних ферментів рестрикції генетична інженерія стала відчутною реальністю. Вбудовані у невеликі плазмідні ДНК гени різного походження вже легко вводять у різні клітини. Так, отримано новий тип біологічно активних плазмід, що дають стійкість до деяких антибіотиків (С. Коен, 1973), введені рибосомальні гени жаби та дрозофіли в плазміди кишкової палички (Дж. Морроу, 1974; X. Бойєр, Д. Хогнесс, Р. , 1974 – 1975). Таким чином, відкриті реальні шляхи для отримання принципово нових організмів шляхом введення та вбудовування у їх генофонд різноманітних генів. Це відкриття може бути спрямоване на благо людства.

У 1952 р. Г. Уайт та С. Коен виявили, що в ДНК Т-парних фагів міститься незвичайна основа – 5-оксиметилцитозин. Пізніше з робіт Е. Волькіна та Р. Сінсхеймера (1954) та Коена (1956) стало відомо, що залишки оксиметилцитозину можуть бути повністю або частково глюкозидовані, внаслідок чого молекула фагової ДНК виявляється захищеною від гідролітичної дії нуклеаз.

На початку 50-х років із робіт Д. Данна та Дж. Сміта (Англія), С. Заменхофа (США) та А. Вакера (ФРН) стало відомо, що в ДНК можуть включатися багато штучних аналогів основ, заміщаючи іноді до 50% тиміну. Як правило, ці заміщення призводять до помилок при реплікації, транскрипції ДНК та трансляції та до появи мутантів. Так, Дж. Мармур (1962) встановив, що у ДНК деяких фагів замість тиміну міститься оксиметилурацил. У 1963 р. І. Такахаші та Дж. Мармур виявили, що в ДНК одного з фагів замість тиміну міститься урацил. Таким чином, звалився ще один принцип, за яким раніше поділяли нуклеїнові кислоти. З часів робіт П. Левіна вважалося, що характерною ознакою ДНК є тимін, а РНК – урацил. Стало ясно, що ця ознака не завжди надійна, і важливою відмінністю хімічної природи двох типів нуклеїнових кислот, як це представляється на сьогоднішній день, є лише характер вуглеводного компонента.

Під час вивчення фагів було розкрито багато незвичайних ознак організації нуклеїнових кислот. З 1953 р. вважалося, що це ДНК є двотяжкі лінійні молекули, а РНК - лише однотяжні. Це становище суттєво похитнулося в 1961 р., коли Р. Сінсхеймер виявив, що ДНК фага φ X 174 представлена ​​однотяжкою кільцевою молекулою. Щоправда, потім з'ясувалося, що у такій формі ця ДНК існує лише у вегетативної фагової частинки, а реплікативна форма ДНК цього фага також є двотяжкою. Крім того, дуже несподіваним виявилося, що РНК деяких вірусів може бути двотяжкою. Цей новий тип макромолекулярної організації РНК було виявлено у 1962 р. П. Гоматосом, І. Таммом та іншими дослідниками у деяких вірусів тварин та у вірусу ранової пухлини рослин. Нещодавно В. І. Агол та А. А. Богданов (1970) встановили, що крім лінійних молекул РНК існують також замкнені або циклічні молекули. Циклічна двотяжка РНК виявлена ​​ними, зокрема, у вірусу енцефаломієлокардиту. Завдяки роботам X. Дево, Л. Тіноко, Т. І. Тихоненко, Е. І. Будовського та інших (1960 – 1974) стали відомі основні риси організації (укладання) генетичного матеріалу у бактеріофагів.

Наприкінці 50-х років американський вчений П. Доті встановив, що при нагріванні відбувається денатурація ДНК, що супроводжується розривом водневих зв'язків між парами основ та розбіжністю комплементарних ланцюгів. Цей процес носить характер фазового переходу на кшталт "спіраль-клубок" і нагадує плавлення кристалів. Тому процес теплової денатурації ДНК Доті назвав плавленням ДНК. При повільному охолодженні відбувається ренатурацпя молекул, тобто возз'єднання комплементарних половинок.

Принцип ренатурації в 1960 р. був використаний Дж. Мармуром і К. Шильдкраутом для визначення ступеня "гібридизування" ДНК різних мікроорганізмів. Згодом Е. Болтон та Б. Мак-Карті удосконалили цей прийом, запропонувавши метод так званих ДНК-агарових колонок. Цей метод виявився незамінним у вивченні ступеня гомології нуклеотидної послідовності різних ДНК та з'ясуванні генетичної спорідненості різних організмів. Відкрита Доти денатурація ДНК у поєднанні з описаною Дж. Манделем та А. Херши* (1960) хроматографією на метильованому альбуміні та центрифугуванням у градієнті щільності (метод розроблений у 1957 р. М. Мезельсоном, Ф. Сталем та Д. Виноградом) розділення, виділення та аналізу окремих комплементарних ланцюгів ДНК Так, наприклад, В. Шибальськи (США), використовуючи ці прийоми для поділу ДНК лямбда фага, показав у 1967 - 1969 рр., що генетично активними є обидва ланцюжки фага, а не одна, як це було прийнято рахувати (С. Спігельман, 1961). Слід зазначити, що вперше ідея про генетичну значущість обох ланцюжків ДНК лямбда фага була висловлена ​​в СРСР С. Є. Бреслером (1961).

* (За роботи з генетики бактерій та вірусів А. Херші спільно з М. Дельбрюком та С. Луріа були удостоєні 1969 р. Нобелівської премії.)

Для розуміння організації та функціональної активності геному першорядне значення має визначення нуклеотидної послідовності ДНК. Пошуки методів такого визначення проводять у багатьох лабораторіях світу. У М. Бір зі співробітниками з кінця 50-х років намагається встановити послідовність ДНК за допомогою електронної мікроскопії, але поки що безуспішно. На початку 50-х років з перших робіт Сінсхеймера, Чаргаффа та інших дослідників з ферментативної деградації ДНК стало відомо, що різні нуклеотиди в молекулі ДНК розподілені хоч і нехаотично, але нерівномірно. За даними англійського хіміка К. Бартона (1961), піримідини (їх понад 70%) зосереджені переважно у вигляді відповідних блоків. А. Л. Мазін і Б. Ф. Ванюшин (1968 - 1969) встановили, що різні ДНК мають різний ступінь зблоченості піримідинів і що в ДНК тварин організмів вона помітно зростає в міру переходу від нижчих до вищих. Отже, еволюція організмів відбито у структурі їх геномів. Саме тому для розуміння еволюційного процесу в цілому порівняльне вивчення структури нуклеїнових кислот набуває особливого значення. Аналіз структури біологічно важливих полімерів і насамперед ДНК вкрай важливий і для вирішення багатьох приватних питань філогенетики та таксономії.

Цікаво відзначити, що англійський фізіолог Е. Ланкестер, який вивчав гемоглобіни молюсків, що рівно 100 років тому передбачив ідеї молекулярної біології, писав: "Хімічні відмінності різних видів та пологів тварин і рослин мають таке ж важливе значеннядля з'ясування історії їх походження, як і розбіжності у тому формі. Якби ми могли чітко встановлювати відмінності в молекулярній організації та функціонуванні організмів, ми змогли б значно краще розібратися в походженні та еволюції різних організмів, ніж на підставі морфологічних спостережень”. , Що "в основі всіх навіть суто морфологічних ознак, на підставі яких ми класифікуємо та встановлюємо види, лежать саме біохімічні відмінності"**.

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

** (В. Л. Комаров. Вибрані соч., Т. 1. М.-Л., Вид-во АН СРСР, 1945, стор 331.)

А. В. Благовіщенський і С. Л. Іванов ще в 20-х роках зробили перші в нашій країні кроки щодо з'ясування деяких питань еволюції та систематики організмів на основі порівняльного аналізу їхнього біохімічного складу (див. гл. 2). Порівняльний аналіз структури білків і нуклеїнових кислот у цей час стає все більш відчутною підмогою для систематиків (див. розділ 21). Цей метод молекулярної біології дозволяє як уточнити становище окремих видів у системі, а й змушує по-новому подивитись самі принципи класифікації організмів, котрий іноді переглянути всю систему загалом, як і сталося, наприклад, із систематикою мікроорганізмів. Безсумнівно, й у майбутньому аналіз структури геному займатиме центральне місце у хемосистематиці організмів.

Велике значення для становлення молекулярної біології мало розшифрування механізмів реплікації ДНК та транскрипції (див. розділ 24).

Біосинтез білка

Важливе зрушення у вирішенні проблеми біосинтезу білка пов'язане з успіхами у вивченні нуклеїнових кислот. У 1941 р. Т. Касперсон (Швеція) та 1942 р. Ж. Браше (Бельгія) звернули увагу на те, що в тканинах з активним білковим синтезом міститься підвищена кількість РНК. Вони дійшли висновку, що рибонуклеїнові кислоти грають визначальну роль синтезі білка. У 1953 р. Е. Гейл і Д. Фокс, начебто, отримали прямі докази безпосередньої участі РНК у біосинтезі білка: за їхніми даними, рибонуклеаза значно пригнічувала включення амінокислот у лізатах бактеріальних клітин. Аналогічні дані були отримані В. Олфрі, М. Делі та А. Мирським (1953) на гомогенатах печінки. Пізніше Еге. Гейл відмовився від висловленої їм правильної ідеї про провідну роль РНК у білковому синтезі, помилково вважаючи, що активація білкового синтезу в безклітинній системі відбувалася під впливом якоїсь іншої речовини невідомої природи. У 1954 р. П. Замітник, Д. Літлфілд, Р. Б. Хесін-Лур'є та інші виявили, що найбільш активне включення амінокислот відбувається у багатих РНК фракціях субклітинних частинок – мікросом. П. Замечник та Е. Келлер (1953 – 1954) виявили, що включення амінокислот помітно посилювалося у присутності надосадової фракції в умовах регенерації АТФ. П. Сікевіц (1952) та М. Хогланд (1956) виділили з надосадової рідини білкову фракцію (рН 5 фракція), яка була відповідальною за різке стимулювання включення амінокислот у мікросомах. Поряд із білками в надосадовій рідині було виявлено особливий клас низькомолекулярних РНК, які тепер називають транспортними РНК (тРНК). У 1958 р. Хогланд і Помічник, і навіть П. Берг, Р. Світ і Ф. Аллен та ще дослідники виявили, що з активації кожної амінокислоти необхідний свій спеціальний фермент, АТФ і специфічна тРНК. Стало ясно, що тРНК виконують виключно функцію адаптерів, тобто пристосувань, які знаходять на нуклеїновій матриці (іРНК) місце відповідної амінокислоті у білковій молекулі, що формується. Ці дослідження повністю підтвердили адапторну гіпотезу Ф. Крику (1957), що передбачала існування в клітині полінуклеотидних адапторів, необхідних для правильного розташування амінокислотних залишків білка, що синтезується, на нуклеїновій матриці. Вже набагато пізніше французький вчений Ф. Шапвіль (1962) в лабораторії Ф. Ліпмана (Нобелевська премія, 1953) у США дуже дотепно і однозначно показав, що місце розташування амінокислоти в білковій молекулі, що синтезується, повністю визначається тією специфічною тРНК, до якої вона приєднана. Адапторна гіпотеза Крику була розвинена у роботах Хогланда та Помічника.

До 1958 стали відомі такі основні етапи білкового синтезу: 1) активація амінокислоти специфічним ферментом з "рН 5 фракції" в присутності АТФ з утворенням аміноациладенілату; 2) приєднання активованої амінокислоти до специфічної тРНК із вивільненням аденозинмонофосфату (АМФ); 3) зв'язування аміноацил-тРНК (тРНК, навантажена амінокислотою) з мікросомами та включення амінокислот у білок з вивільненням тРНК. Хогланд (1958) зазначив, що на останньому етапі білкового синтезу необхідний гуанозінтріфосфат (ГТФ).

Транспортні РНК та синтез гена

Після виявлення тРНК почалися активні пошуки їх фракціонування та визначення нуклеотидної послідовності. Найбільших успіхів досяг американський біохімік Р. Холлі. У 1965 р. він встановив структуру аланінової тРНК із дріжджів. За допомогою рибонуклеаз (гуанілова РНК-аза та панкреатична РНК-аза) Холлі розділив молекулу нуклеїнової кислоти на кілька фрагментів, визначив у кожному окремо нуклеотидну послідовність і потім реконструював послідовність всієї молекули аланінової тРНК. Цей шлях аналізу нуклеотидної послідовності отримав назву блочного методу. Заслуга Холлі полягала головним чином тому, що він навчився розділяти молекулу РНК як на дрібні шматки, як і багато хто й до нього, а й великі фрагменти (четвертинки і половинки). Це і дало можливість правильно зібрати окремі маленькі шматки воєдино і цим відтворити повну нуклеотидну послідовність всієї молекули тРНК (Нобелевская премія, 1968).

Цей прийом відразу ж був прийнятий на озброєння у багатьох лабораторіях світу. Протягом наступних двох років у СРСР і там була розшифрована первинна структура відразу кількох тРНК. А. А. Баєв (1967) та співробітники вперше встановили послідовність нуклеотидів у дріжджовій валіновій тРНК. До теперішнього часу вивчено вже понад десяток різних індивідуальних тРНК. Своєрідний рекорд у визначенні нуклеотидної послідовності встановлено у Кембриджі Ф. Сенгером та Г. Браунлі. Ці дослідники розробили напрочуд витончений метод поділу олігонуклеотидів і встановили послідовність так званої 5 S ​​(рибосомної) РНК із клітин кишкової палички (1968). Ця РНК складається з 120 нуклеотидних залишків і, на відміну від тРНК, не містить додаткових мінорних основ, які помітно полегшують аналіз нуклеотидної послідовності, служачи унікальними орієнтирами окремих фрагментів молекули. В даний час завдяки використанню методу Сенгера та Браунлі успішно просувається робота з вивчення послідовності довгих рибосомних РНК та деяких вірусних РНК у лабораторії Ж. Ебеля (Франція) та інших дослідників.

А. А. Баєв та співробітники (1967) виявили, що розрізана навпіл валінова тРНК відновлює свою макромолекулярну структуру в розчині і, незважаючи на дефект у первинній структурі, має функціональну активність вихідної (нативної) молекули. Цей підхід – реконструкція розрізаної макромолекули після видалення певних фрагментів – виявився дуже перспективним. Він широко використовується зараз з'ясування функціональної ролі окремих ділянок тих чи інших тРНК.

В останні роки досягнуто великого успіху в отриманні кристалічних препаратів індивідуальних тРНК. Зараз у кількох лабораторіях у США та Англії вдалося закристалізувати вже багато тРНК. Це дало змогу досліджувати стуруктуру тРНК за допомогою рентгеноструктурного аналізу. У 1970 р. Р. Бок представив перші рентгенограми та тривимірні моделі кількох тРНК, створені ним у Вісконсінському університеті. Ці моделі допомагають визначити локалізацію окремих функціонально активних ділянок у тРНК та зрозуміти основні засади функціонування цих молекул.

Найважливіше значення для розкриття механізму синтезу білка та вирішення проблеми специфічності цього процесу мало розшифровка природи генетичного коду (див. розділ 24), яку без перебільшення можна розглядати як провідне завоювання природознавства XX ст.

Розкриття Р. Холлі первинної структури тРНК дало поштовх роботам Г. Корани* (США) щодо синтезу олігонуклеотидів і направило їх на шлях синтезу певної біологічної структури – молекули ДНК, що кодує аланінову тРНК. Зроблені Кораною майже 15 років тому перші кроки з хімічного синтезу коротких олигонуклеотидов завершилися 1970 р. вперше здійсненим синтезом гена. Корана та його співробітники спочатку з окремих нуклеотидів синтезували хімічним шляхом короткі фрагменти завдовжки 8-12 нуклеотидних залишків. Ці фрагменти із заданою нуклеотидною послідовністю утворювали спонтанно двотяжкі комплементарні шматки з перекриттям 4 - 5 нуклеотидів. Потім ці готові шматки в потрібному порядку послідовно з'єднували кінець в кінець за допомогою ферменту ДНК-лігази. Таким чином, на відміну від реплікації молекул ДНК, за А. Корнбергом** (див. розділ 24), Корані вдалося заново створити молекулу природної двотяжкової ДНК за заздалегідь наміченою програмою відповідно до послідовності тРНК, описаної Холлі. Аналогічним чином зараз ведуться роботи з синтезу інших генів (М. М. Колосов, 3. А. Шабарова, Д. Г. Кнорре, 1970 – 1975).

* (За дослідження генетичного коду Г. Корані та М. Ніренбергу була присуджена у 1968 р. Нобелівська премія.)

** (За відкриття полімерази та синтез ДНК А. Корнбергу, а за синтез РНК С. Очоа у 1959 р. було присуджено Нобелівську премію.)

Мікросоми, рибосоми, трансляція

У 1950-х років вважалося, що центром білкового синтезу у клітині є мікросоми. Термін мікросоми був вперше введений у 1949 р. А. Клодом для позначення фракції дрібних гранул. Пізніше з'ясувалося, що за білковий синтез відповідальна не вся фракція мікросом, що складається з мембран та гранул, а лише дрібні рибонуклеопротеїдні частки. Ці частки 1958 р. були названі Р. Робертсом рибосомами.

Класичні дослідження бактеріальних рибосом були проведені А. Тисьєром та Дж. Уотсоном у 1958 – 1959 рр. Бактеріальні рибосоми виявилися дещо дрібнішими за рослинні та тваринні. Дж. Літлтон (1960), М. Кларк (1964) та Е. Н. Светайло (1966) показали, що рибосоми хлоропластів вищих рослин та мітохондрій належать до бактеріального типу. А. Тисьєр та інші (1958) виявили, що рибосоми дисоціюють на дві нерівні субодиниці, що містять по одній молекулі РНК. Наприкінці 50-х років вважалося, що кожна молекула рибосомної РНК складається з кількох коротких фрагментів. Проте А. С. Спірін у 1960 р. вперше показав, що РНК у субчастинках представлені безперервною молекулою. Д. Уоллер (1960), розділивши рибосомні білки за допомогою електрофорезу в крохмальному гелі, встановив, що вони гетерогенні. Спочатку багато хто сумнівався в даних Уоллера, оскільки здавалося, що білок рибосоми повинен бути строго гомогенним, як, наприклад, білок ВТМ. В даний час в результаті досліджень Д. Уоллер, Р. Траута, П. Трауба та інших біохіміків стало відомо, що до складу власне рибосомних частинок входить більше 50 абсолютно різних за структурою білків. А. С. Спіріну в 1963 р. вдалося вперше розгорнути рибосомні субчастинки і показати, що рибосоми є компактно скрученим рибонуклеопротеїдним тяжом, який в певних умовах може розгортатися. У 1967 – 1968 рр. М. Номура повністю реконструював біологічно активну субчастинку з рибосомної РНК та білка і навіть отримав такі рибосоми, у яких білок та РНК належали різним мікроорганізмам.

До сьогодні незрозуміла роль рибосомної РНК. Передбачається, що вона є тією унікальною специфічною матрицею, на якій при формуванні рибосомної частки знаходить строго певне місце кожен із численних рибосомних білків (А. С. Спірін, 1968).

А. Річ (1962) виявив агрегати з кількох рибосом, з'єднаних між собою ниткою іРНК. Ці комплекси було названо полісомами. Виявлення полісом дозволило Річу і Уотсону (1963) висловити припущення, що синтез поліпептидного ланцюга відбувається на рибосомі, яка просувається по ланцюжку іРНК. У міру просування рибосоми по ланцюжку іРНК в частинці відбувається зчитування інформації та утворення поліпептидного ланцюга білка, а нові рибосоми по черзі приєднуються до прочитаного кінця іРНК, що вивільняється. З даних Річа та Уотсона випливало, що значення полісом у клітині полягає у масовій продукції білка шляхом послідовного прочитування матриці відразу декількома рибосомами.

В результаті досліджень М. Ніренберга, С. Очоа, Ф. Ліпмана, Г. Корани та інших у 1963 – 1970 рр. в. стало відомо, що поряд з іРНК, рибосомами, АТФ та аміноацил-тРНК у процесі трансляції бере участь велика кількість різноманітних факторів, а сам процес трансляції може бути умовно поділений на три етапи – ініціацію, власне трансляцію та термінацію.

Ініціація трансляції означає синтез першого пептидного зв'язку в комплексі рибосома – матричний полінуклеотид – аміноацил-тРНК. Таку ініціаторну активність має не всяка аміноацил-тРНК, а формілметіоніл-тРНК. Ця речовина була вперше виділена у 1964 р. Ф. Сенгером та К. Маркером. С. Бретчер і К. Маркер (1966) показали, що ініціаторна функція формілметіоніл-тРНК обумовлена ​​її підвищеною спорідненістю до пептидильного центру рибосоми. Для початку трансляції дуже важливими є також деякі білкові фактори ініціації, які були виділені в лабораторіях С. Очоа, Ф. Гро та інших дослідницьких центрах. Після утворення першого пептидного зв'язку в рибосомі починається власне трансляція, тобто послідовне приєднання аміноацильного залишку до С-кінця поліпептиду. Багато деталей процесу трансляції вивчили К. Монро та Дж. Бішоп (Англія), І. Рихлік та Ф. Шорм (ЧССР), Ф. Ліпман, М. Бретчер, В. Гілберт (США) та інші дослідники. У 1968 р. А. С. Спірін для пояснення механізму роботи рибосоми запропонував оригінальну гіпотезу. Привідним механізмом, що забезпечує всі просторові переміщення тРНК та іРНК під час трансляції, є періодичне розмикання та змикання субчастинок рибосоми. Закінчення трансляції закодовано в матриці, що зчитується, яка містить термінуючі кодони. Як показав С. Бреннер (1965 – 1967), такими кодонами є триплети УАА, УАГ та УГА. М. Капеччі (1967) виявив також спеціальні білкові фактори термінації. А. С. Спіріним та Л. П. Гавриловою описаний так званий "неферментативний" синтез білка в рибосомах (1972 - 1975) без участі білкових факторів. Це відкриття важливе для розуміння походження та еволюції біосинтезу білка.

Регуляція активності генів та білків

Після проблеми специфічності білкового синтезу першому місці у молекулярної біології виявилася проблема регуляції синтезу білків, чи, що саме, регуляції активності генів.

Функціональна нерівнозначність клітин та пов'язані з нею репресія та активація генів давно привертали увагу генетиків, але досі реальний механізм контролю генної активності залишався невідомим.

Перші спроби пояснити регуляторну активність генів пов'язані з вивченням гістонних білків. Ще подружжя Стедман на початку 40-х років XX ст. висловлювали думку, що саме гістони можуть грати у цьому явищі основну роль. Надалі вони отримали перші чіткі дані про відмінності у хімічній природі гістонних білків. Нині кількість фактів, які свідчать користь цієї гіпотези, з кожним роком дедалі більше зростає.

* (Е. Stedman, E. Stedman. The basic proteins of cell nuclei.- Phylosoph. Trans. Roy. Soc. London, 1951, v. 235, 565 – 595.)

У той самий час накопичується дедалі більше даних, які говорять у тому, що регуляція генної активності - набагато складніший процес, ніж просте взаємодію ділянок генів з молекулами гістонних білків. У 1960 – 1962 рр. в лабораторії Р. Б. Хесина-Лур'є було з'ясовано, що гени фагів починають зчитуватися неодночасно: гени фага Т2 можна поділити на ранні, функціонування яких відбувалося в перші хвилини зараження бактеріальної клітини, і пізні, що починали синтезувати іРНК після завершення ранніх генів.

У 1961 р. французькі біохіміки Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували схему регулювання активності генів, яка зіграла виняткову роль у розумінні регуляторних механізмів клітини взагалі. Згідно зі схемою Жакоба і Моно, у ДНК крім структурних (інформаційних) генів є ще гени-регулятори та гени-оператори. Ген-регулятор кодує синтез специфічної речовини - репресора, який може приєднуватись як до індуктора, так і до гена-оператора. Ген-оператор зчеплений зі структурними генами, а ген-регулятор перебуває у певному віддаленні них. Якщо в середовищі немає індуктора, наприклад, лактози, то синтезований геном-регулятором репресор зв'язується з геном-оператором і, блокуючи його, вимикає роботу всього оперону (блок структурних генів разом з керуючим ними оператором). Утворення ферменту цих умовах немає. Якщо ж середовищі з'являється індуктор (лактоза), то продукт гена-регулятора - репресор - зв'язується з лактозою і знімає блок з гена-оператора. В цьому випадку стає можливою роботаструктурного гена, що кодує синтез ферменту, та фермент (лактоза) утворюється в середовищі.

На думку Жакоба і Моно, ця схема регуляції застосовна до всіх адаптивних ферментів і може бути як при репресії, коли утворення ферменту пригнічується надлишком продукту реакції, і при індукції, коли внесення субстрату викликає синтез ферменту. За дослідження регулювання активності генів Жакоб і Моно були удостоєні в 1965 р. Нобелівської премії.

Спочатку ця схема здавалася надто надуманою. Однак згодом з'ясувалося, що регуляція генів за цим принципом має місце не лише у бактерій, а й у інших організмів.

Починаючи з 1960 р. помітне місце в молекулярній біології займають дослідження організації геному і структури хроматину у еукаріотичних організмів (Дж. Боннер, Р. Бріттен, В. Олфрі, П. Уокер, Ю. С. Ченцов, І. Б. Збарський та ін.) .) та з регуляції транскрипції (А. Мирський, Г. П. Георгієв, М. Бернстіл, Д. Голл, Р. Цанев, Р. І. Салганік). Довгий час залишалася невідомою та спірною природа репресора. У 1968 р. Пташне (США) показав, що репресором є білок. Він виділив його в лабораторії Дж. Уотсона і виявив, що репресор, дійсно, має спорідненість до індуктора (лактози) і одночасно "пізнає" ген-оператор лак-оперону і специфічно зв'язується з ним.

В останні 5 - 7 років отримані дані про наявність ще одного керуючого осередку генної активності - промотор. Виявилося, що по сусідству з операторною ділянкою, до якої приєднується продукт, синтезований на ген-регуляторі - білковій речовині репресора, є інша ділянка, яку також слід віднести до членів регуляторної системи генної активності. До цієї ділянки приєднується білкова молекула ферменту РНК-полімерази. У промоторному ділянці має відбутися взаємне впізнавання унікальної послідовності нуклеотидів у ДНК та специфічної конфігурації білка РНК-полімерази. Від ефективності впізнавання залежатиме здійснення процесу зчитування генетичної інформації з даною послідовністю генів оперону, що примикає до промотору.

Крім описаної Жакобом і Моно схеми, у клітині існують інші механізми регуляції генів. Ф. Жакоб та С. Бреннер (1963) встановили, що регуляція реплікації бактеріальної ДНК певним чином контролюється клітинною мембраною. Досліди Жакоба (1954) з індукції різних профагів переконливо показали, що під впливом різних мутагенних факторів у клітині лізогенних бактерій починається виборча реплікація гена профагу, а реплікація геному господаря блокується. У 1970 р. Ф. Белл повідомив у тому, що у цитоплазму з ядра можуть переходити невеликі молекули ДНК і там транскрибироваться.

Таким чином, регуляція активності генів може здійснюватися на рівні реплікації, транскрипції та трансляції.

Значних успіхів досягнуто у вивченні регуляції як синтезу ферментів, а й їх активності. На явища регуляції активності ферментів у клітині вказували ще у 50-х роках А. Новік та Л. Сциллард. Г. Умбаргер (1956) встановив, що у клітині існує дуже раціональний шлях придушення активності ферменту кінцевим продуктом ланцюга реакцій на кшталт зворотний зв'язок. Як було встановлено Ж. Моно, Ж. Шанже, Ф. Жакобом, А. Парді та іншими дослідниками (1956 – 1960), регуляція активності ферментів може здійснюватися за алостеричним принципом. Фермент або одна з його субодиниць, крім спорідненості до субстрату, має спорідненість з одним з продуктів ланцюга реакцій. Під впливом такого продукту-сигналу фермент змінює свою конформацію, що втрачає активність. В результаті весь ланцюг ферментативних реакцій вимикається на самому початку. На суттєву роль конформаційних змін білка у ферментативних реакціях, а у відомому сенсі і на наявність алостеричного ефекту, вказували Д. Вімен та Р. Вудворд (1952; лауреат Нобелівської премії, 1965).

Структура та функції білків

В результаті робіт Т. Осборна, Г. Гофмейстера, А. Гюрбера, Ф. Шульца та багатьох інших наприкінці XIXв. було отримано багато тварин та рослинні білки в кристалічному вигляді. Приблизно в цей час за допомогою різних фізичних методів були встановлені молекулярні ваги деяких білків. Так, в 1891 р. А. Сабанєєв і Н. Александров повідомили, що молекулярна вага овальбуміну становить 14 000; в 1905 р. Е. Рейд встановив, що молекулярна вага гемоглобіну дорівнює 48 000. Полімерна структура білків була розкрита в 1871 р. Г. Глазівець і Д. Габерманом. Ідея про пептидний зв'язок окремих амінокислотних залишків у білках була висловлена ​​Т. Куртіусом (1883). Роботи з хімічної конденсації амінокислот (Е. Шаал, 1871; Г. Шифф, 1897; Л. Бальбіано та Д. Траскіатті, 1900) та синтезу гетерополіпептидів (Е. Фішер, 1902 - 1907, хімічна структура білків.

Перший кристалічний фермент (уреаза) було отримано 1926 р. Дж. Самнером (Нобелевская премія, 1946), а 1930 р. Дж. Нортроп (Нобелевская премія, 1946) отримав кристалічний пепсин. Після цих робіт стало зрозуміло, що ферменти мають білкову природу. У 1940 р. М. Куніц виділив кристалічну РНК-азу. До 1958 вже було відомо більше 100 кристалічних ферментів і понад 500 ферментів, виділених у некристалічному вигляді. Одержання високоочищених препаратів індивідуальних білків сприяло розшифровці їхньої первинної структури та макромолекулярної організації.

Велике значення у розвиток молекулярної біології взагалі і генетики людини, особливо, мало відкриття Л. Полингом (1940) ненормального гемоглобіну S, виділеного з еритроцитів людей із тяжкою спадковою хворобою - серповидно-клітинної анемією. У 1955 – 1957 рр. В. Інгрем використав розроблений Ф. Сенгер метод "відбитків пальців" (плям, утворених окремими пептидами при хроматографії на папері) для аналізу продуктів гідролізу гемоглобіну S лугом і трипсином. У 1961 р. Інгрем повідомив, що гемоглобін S відрізняється від нормального гемоглобіну тільки за природою одного амінокислотного залишку: у нормальному гемоглобіні в сьомому положенні ланцюга знаходиться залишок глютамінової кислоти, а в гемоглобіні S - залишок валіну. Цим повністю підтвердилося (1949) припущення Полінга, що серповидно-клітинна анемія є хворобою молекулярної природи. Спадкова зміна всього одного залишку амінокислоти в кожній половинці макромолекули гемоглобіну призводить до того, що гемоглобін втрачає здатність легко розчинятися при низькій концентрації кисню і починає кристалізуватися, що призводить до порушення структури клітини. Ці дослідження з усією очевидністю показали, що структура білка є суворо певною амінокислотною послідовністю, яка закодована в геномі. Про виняткове значення первинної структури білка у формуванні унікальної біологічно активної конформації макромолекули свідчили роботи К. Анфінсена (1951). Анфінсен показав, що біологічно активна макроструктура панкреатичної рибонуклеази, що втрачається в результаті відновлення, зумовлена ​​амінокислотною послідовністю і може знову виникати спонтанно при окисленні SH-груп залишків цистеїну з утворенням дисульфідних зшивок у строго визначених місцях пептидного ланцюга ферменту.

До теперішнього часу детально вивчений механізм дії великої кількості ферментів та визначено структуру багатьох білків.

У 1953 р. Ф. Сенгер встановив амінокислотну послідовність інсуліну. :Цей білок складається з двох поліпептидних ланцюгів, з'єднаних двома дисульфідними зшивками. Один з ланцюгів містить всього 21 амінокислотний залишок, а інший - 30 залишків. На розшифрування будівлі цього порівняно простого білка Сенгер витратив близько 10 років. У 1958 р. за це видатне дослідження йому було присуджено Нобелівську премію. Після створення В. Стейном та С. Муром (1957) автоматичного аналізатора амінокислот, ідентифікація продуктів часткового гідролізу білків значно прискорилася. У 1960 р. Стейн і Мур вже повідомили у тому. що їм вдалося визначити послідовність рибонуклеази, пептидний ланцюжок якого представлений 124 амінокислотними залишками. У тому ж році в лабораторії Г. Шрамма у Тюбінгені (ФРН) Ф. Андерер та інші визначили амінокислотну послідовність у білку ВТМ. Потім амінокислотна послідовність була визначена в міоглобіні (А. Едмунсон) та α- та β-ланцюгах гемоглобіну людини (Г. Браунітцер, Е. Шредер та ін), лізоцимі з білка курячого яйця (Ж. Жолле, Д. Кейфілд). У 1963 р. Ф. Шорм та Б. Кейл (ЧССР) встановили послідовність амінокислот у молекулі хімотрипсиногену. У тому ж році було визначено амінокислотну послідовність трипсиногену (Ф. Шорм, Д. Уолш). У 1965 р. К. Такахаші встановив первинну структуру рибонуклеази Т1. Потім послідовність амінокислот було визначено ще в кількох білків.

Як відомо, остаточним доказом правильності визначення тієї чи іншої структури є її синтез. У 1969 р. Р. Меріфілд (США) вперше здійснив хімічний синтез панкреатичної рибонуклеази. За допомогою розробленого ним методу синтезу на твердофазовому носії Меріфілд приєднував до ланцюжка одну амінокислоту за іншою відповідно до тієї послідовності, яка була описана Стейном і Муром. В результаті він отримав білок, який за своїми якостями був ідентичний панкреатичній рибонуклеазі А. За розкриття будови рибонуклеази В. Стейну, С. Муру та К. Анфінсену була у 1972 р. присуджено Нобелівську премію. Цей синтез природного білка відкриває грандіозні перспективи, вказуючи на можливість створення будь-яких білків відповідно до запланованої послідовності.

З рентгеноструктурних досліджень У. Астбері (1933) випливало, що пептидні ланцюги білкових молекул скручені або укладені якимось строго певним чином. Починаючи з цього часу, багато авторів висловлювали різні гіпотези про способи укладання білкових ланцюгів, але до 1951 всі моделі залишалися умоглядними побудовами, що не відповідали експериментальним даним. У 1951 р. Л. Полінг та Р. Корі опублікували серію блискучих робіт, у яких остаточно було сформульовано теорію вторинної структури білків - теорію α-спіралі. Поряд з цим стало також відомо, що білки мають ще третинну структуру: α-спіраль пептидного ланцюга може бути певним чином складена, утворюючи досить компактну структуру.

У 1957 р. Дж. Кендрю та його співробітники вперше запропонували тривимірну модель структури міоглобіну. Ця модель потім уточнювалася протягом декількох років, поки в 1961 не з'явилася підсумкова робота з характеристикою просторової структури цього білка. У 1959 р. М. Перутц та співробітники встановили тривимірну структуру гемоглобіну. На цю роботу дослідники витратили понад 20 років (перші рентгенограми гемоглобіну були отримані Перутцем 1937 р.). Оскільки молекула гемоглобіну складається з чотирьох субодиниць, то, розшифрувавши його організацію, Перутц цим вперше описав четвертинну структуру білка. За роботи з визначення тривимірної структури білків Кендрю та Перутцу у 1962 р. було присуджено Нобелівську премію.

Створення перуком просторової моделі структури гемоглобіну дозволило. наблизитися до розуміння механізму функціонування цього білка, який, як відомо, здійснює перенесення кисню у клітинах тварин. Ще 1937 р. Ф. Гауровиц дійшов висновку у тому, що взаємодія гемоглобіну з киснем, повітря має супроводжуватися зміною структури білка. У 60-х роках Перутц та його співробітники виявили помітне зміщення ланцюгів гемоглобіну після його окислення, що викликалося зрушенням атомів заліза внаслідок зв'язування з киснем. На цій основі сформувалися уявлення про "дихання" білкових макромолекул.

У 1960 р. Д. Філліпс та його співробітники розпочали рентгеноструктурні дослідження молекули лізоциму. До 1967 р. їм більш-менш точно вдалося встановити деталі організації цього білка та локалізацію окремих атомів у його молекулі. Крім цього, Філіпс з'ясував характер приєднання лізоциму до субстрату (тріацетилглюкозаміну). Це дозволило відтворити механізм цього ферменту. Таким чином, знання первинної структури та макромолекулярної організації дало змогу не лише встановити природу активних центрів багатьох ферментів, а й повністю розкрити механізм функціонування цих макромолекул.

Використання методів електронної мікроскопії допомогло розкрити принципи макромолекулярної організації таких складних білкових утворень, як нитки колагену, фібриногену, скорочувальних фібрил м'язів та ін. Наприкінці 50-х років було запропоновано моделі м'язового скорочувального апарату. Виняткове значення розуміння механізму м'язового скорочення мало відкриття У. А. Енгельгардтом і М. М. Любимової (1939) АТФ-азной активності міозину. Це означало, що в основі акта м'язового скорочення лежить зміна фізико-хімічних властивостей та макромолекулярної організації скоротливого білка під впливом аденозинтрифосфорної кислоти (див. розділ 11).

Для розуміння принципів складання біологічних структур важливе значення мали вірусологічні дослідження (див. Розділ 25).

Невирішені проблеми

Основні успіхи у сучасній молекулярній біології досягнуто переважно у результаті вивчення нуклеїнових кислот. Проте навіть у цій галузі ще далеко не всі проблеми вирішені. Великих зусиль вимагатиме, зокрема, розшифровка всієї нуклеотидної послідовності геному. Ця проблема у свою чергу нерозривно пов'язана з проблемою гетерогенності ДНК і вимагає розробки нових досконалих методів фракціонування та виділення індивідуальних молекул із сумарного генетичного матеріалу клітини.

До цих пір зусилля в основному були зосереджені на окремому вивченні білків та нуклеїнових кислот. У клітині ці біополімери нерозривно пов'язані один з одним і функціонують головним чином у формі нуклеопротеїдів. Тому зараз з особливою гостротою виявилася необхідність вивчення взаємодії білків та нуклеїнових кислот. На перший план висувається проблема впізнавання білками певних ділянок нуклеїнових кислот. Вже намітилися кроки до вивчення такої взаємодії цих біополімерів, без якого немислимо повне розуміння структури та функцій хромосом, рибосом та інших структур. Без цього неможливо також усвідомити регулювання активності генів і остаточно розшифрувати принципи роботи білоксинтезуючих механізмів. Після робіт Жакоба та Моно з'явилися деякі нові дані про регуляторне значення мембран у синтезі ядерного матеріалу. Це ставить завдання глибшого дослідження ролі мембран у регуляції реплікації ДНК. У цілому нині проблема регуляції активності генів і клітинної активності взагалі стала однією з найважливіших проблем сучасної молекулярної біології.

Сучасний стан біофізики

У зв'язку з проблемами молекулярної біології йшов розвиток біофізики. Інтерес до цієї галузі біології стимулювався, з одного боку, необхідністю всебічного вивчення впливу на організм різноманітних випромінювань, з іншого - потребою дослідження фізичних і фізико-хімічних основ життєвих явищ, що протікають на молекулярному рівні.

Отримання точних відомостей про молекулярні структури і процесах, що відбуваються в них, стало можливим в результаті застосування нових тонких фізико-хімічних методів. На основі досягнень електрохімії вдалося вдосконалити метод вимірювання біоелектричних потенціалів, застосувавши іонно-виборчі електроди (Г. Ейзенман, Б. П. Нікольський, Кхурі, 50 – 60-і роки). Дедалі ширше входить у практику інфрачервона спектроскопія (з використанням лазерних пристроїв), що дозволяє досліджувати конформаційні зміни білків (І. Плотніков, 1940). Цінні відомості дає також метод електронного парамагнітного резонансу (Е. К. Завойський, 1944) та біохемолюмінесцентний метод (Б. Н. Тарусов та ін., 1960), які дозволяють, зокрема, судити про транспорт електронів при окисних процесах.

До 50-х років біофізика завойовує міцне становище. Виникає потреба у підготовці кваліфікованих спеціалістів. Якщо у 1911 р. у Європі лише в університеті м. Печ, в Угорщині, була кафедра біофізики, то до 1973 р. такі кафедри існують майже у всіх великих університетах.

У 1960 р. було організовано Міжнародне товариство біофізиків. Торішнього серпня 1961 р. відбувся перший Міжнародний біофізичний конгрес у Стокгольмі. Другий конгрес був проведений у 1965 р. у Парижі, третій – у 1969 р. у Бостоні, четвертий – у 1972 р. у Москві.

У біофізиці зберігається чітке розмежування між двома різними за змістом напрямками – молекулярною біофізикою та клітинною біофізикою. Це розмежування отримує й організаційний вираз: створюються окремі кафедри цих двох напрямів біофізики. У Московському університеті перша кафедра біофізики була створена в 1953 р. на біолого-грунтовому факультеті, дещо пізніше виникла кафедра біофізики на фізичному факультеті. За таким же принципом організовувалися кафедри у багатьох інших університетах.

Молекулярна біофізика

В останні роки все більше зміцнювався зв'язок молекулярної біофізики з молекулярною біологією, і зараз іноді буває важко визначити, де проходить межа поділу між ними. У генеральному наступі на проблему спадкової інформації така кооперація біофізики з молекулярною біологією неминуча.

Головним напрямом у дослідницькій роботі є вивчення фізики нуклеїнових кислот – ДНК та РНК. Застосування зазначених вище методів і насамперед рентгеноструктурного аналізу сприяло розшифровці молекулярної структури нуклеїнових кислот. В даний час ведуться інтенсивні дослідження з вивчення поведінки цих кислот у розчинах. Особлива увага приділяється при цьому конформаційним переходам "спіраль-клубок", що вивчаються щодо змін в'язкості, оптичних та електричних показників. У зв'язку з вивченням механізмів мутагенезу розвиваються дослідження щодо вивчення дії іонізуючої радіації на поведінку нуклеїнових кислот у розчинах, а також дії радіації на нуклеїнові кислоти вірусів та фагів. Всебічного аналізу піддавався вплив ультрафіолетового випромінювання, деякі спектральні ділянки якого добре поглинаються нуклеїновими кислотами. Великий питома вагав таких дослідженнях займає виявлення активних радикалів нуклеїнових кислот і білків методом електронного парамагнітного резонансу. Із застосуванням цього пов'язано виникнення цілого самостійного напрями.

Проблема кодування інформації ДНК та РНК та її передачі при синтезі білка давно цікавила молекулярну біофізику, і фізики неодноразово висловлювали з цього приводу ті чи інші міркування (Е. Шредінгер, Г. Гамов). Розшифровка генетичного коду викликала численні теоретичні та експериментальні дослідження по структурі спіралі ДНК, механізму ковзання та закручування її ниток, вивчення фізичних сил, що беруть участь у даних процесах.

Значну допомогу молекулярна біофізика надає молекулярної біології у вивченні структури білкових молекул з допомогою рентгеноструктурного аналізу, вперше застосованого 1930 р. Дж. Берналом. Саме в результаті використання фізичних методів у поєднанні з біохімічними (ферментативні методи) було розкрито молекулярну конформацію та послідовність розташування амінокислот у ряді білків.

Сучасні електронно-мікроскопічні дослідження, що виявили наявність у клітинах та її органоїдах складних мембранних систем, стимулювали спроби зрозуміти їхню молекулярну будову (див. глави 10 та 11). Вивчається прижиттєво хімічний складмембран та, зокрема, властивості їх ліпідів. Було з'ясовано, що останні здатні до переокислення та неферментативних реакцій ланцюгового окиснення (Ю. А. Володимиров та Ф. Ф. Литвин, 1959; Б. Н. Тарусов та ін., 1960; І. І. Іванов, 1967), що призводить до порушення мембранних функцій. Для вивчення складу мембран стали користуватися також методами математичного моделювання (В. Ц. Пресман, 1964 – 1968; М. М. Шемякін, 1967; Ю. А. Овчинников, 1972).

Клітинна біофізика

Знаменною подією в історії біофізики стало формування в 50-х роках чітких уявлень про термодинаміку біологічних процесів, внаслідок чого остаточно відпали припущення про можливість самостійного утворення енергії в живих клітинах всупереч другому закону термодинаміки. Розуміння дії цього закону в біологічних системах пов'язане із запровадженням бельгійським ученим І. Пригожиним (1945) * у біологічну термодинаміку поняття відкритих систем, що обмінюються із зовнішнім середовищем енергією та матерією. Пригожин показав, що позитивна ентропія утворюється в живих клітинах при робочих процесах відповідно до другого закону термодинаміки. Введені ним рівняння визначили умови, у яких виникає так зване стаціонарне стан (раніше його називали також динамічним рівновагою), у якому кількість вільної енергії (негентропії), що надходить у клітини з їжею, компенсує її витрата, а позитивна ентропія виводиться. Це відкриття підкріпило загальнобіологічну ідею про нерозривний зв'язок зовнішнього та внутрішнього середовища клітин. Воно поклало початок реальному вивченню термодинаміки живих систем, у тому числі методом моделювання (А. Бертон, 1939; А. Г. Пасинський, 1967).

* (Загальну теорію відкритих систем вперше висунув Л. Берталанфі у 1932 р.)

Відповідно до основного принципу біотермодинаміки, необхідною умовою існування життя виявляється стаціонарність у розвитку її біохімічних процесів, для здійснення якої необхідна координація швидкостей численних реакцій обміну речовин. На основі нової біофізичної термодинаміки виник напрямок, що виділяє зовнішні та внутрішні фактори, які забезпечують цю координацію реакцій та роблять її стійкою. За останні два десятиліття виявлено велику роль у підтримці стаціонарного стану системи інгібіторів і особливо антиоксидантів (Б. Н. Тарусов та А. І. Журавльов, 1954, 1958). Встановлено, що надійність стаціонарного розвитку пов'язана з факторами зовнішнього середовища (температурою) та фізико-хімічними властивостями середовища клітин.

Сучасні принципи біотермодинаміки дозволили надати фізико-хімічне тлумачення механізму адаптації. За нашими даними, пристосування до умов зовнішнього середовища може відбуватися тільки в тому випадку, якщо за їх зміни організм здатний встановити стаціонарність у розвитку біо хімічних реакцій(Б. Н. Тарусов, 1974). Постало питання розробці нових методів, які б оцінювати стаціонарний стан прижиттєво і прогнозувати його можливі порушення. Велику користь обіцяє впровадження в біотермодинаміки та дослідження процесів біологічної адаптації кібернетичних принципів саморегулівних систем. Стало ясно, що для вирішення питання про стійкість стаціонарного стану важливий облік так званих факторів, що обурюють, до яких відносяться, зокрема, неферментативні реакції окислення ліпідів. Останнім часом дедалі більше розширюються дослідження процесів переокислення в ліпідних фазах живих клітин та наростання активних радикальних продуктів, що порушують регуляторні функції мембран. Джерелом інформації про ці процеси служить як виявлення активних перекисних радикалів, так і перекисних сполук біоліпідів (А. Таппель, 1965; І. І. Іванов, 1965; Є. Б. Бурлакова, 1967 та інші). Для виявлення радикалів використовують біохемолюмінесценцію, що виникає у ліпідах живих клітин при їх рекомбінації.

На основі фізико-хімічних уявлень про стабільність стаціонарного стану виникли біофізичні уявлення про адаптацію рослин до змін умов зовнішнього середовища як порушення інгібуючих антиокислювальних систем (Б. Н. Тарусов, Я. Є. Доскоч, Б. М. Кітлаєв, А. М. Агавердієв , 1968 – 1972). Це відкрило можливість оцінювати такі властивості, як морозостійкість та солестійкість, а також робити відповідні прогнози під час селекції сільськогосподарських рослин.

У 50-х роках було відкрито надслабке світіння – біохемолюмінесценція низки біологічних об'єктів у видимій та інфрачервоній частинах спектру (Б. Н. Тарусов, А. І. Журавльов, А. І. Поливода). Це стало можливо в результаті розробки методів реєстрації надслабких світлових потоків за допомогою фотоелектронних помножувачів (Л. А. Кубецький, 1934). Будучи результатом біохімічних реакцій, що протікають у живій клітині, біохемолюмінесценція дозволяє судити про важливі окисні процеси в ланцюгах перенесення електронів між ферментами. Відкриття та вивчення біохемолюмінесценції має велике теоретичне та практичне значення. Так, Б. Н. Тарусов та Ю. Б. Кудряшов відзначають велику роль продуктів окислення ненасичених жирних кислот у механізмі виникнення патологічних станів, що розвиваються під дією іонізуючих випромінювань, при канцерогенезі та інших порушеннях нормальних функцій клітини.

У 50-х роках у зв'язку з бурхливим розвитком ядерної фізики з біофізики виділилася радіобіологія, що досліджує біологічну дію іонізуючих випромінювань. Отримання штучних радіоактивних ізотопів, створення термоядерної зброї, атомних реакторів та розвиток інших форм практичного використання атомної енергії поставило з усією гостротою проблему захисту організмів від шкідливої ​​дії іонізуючої радіації, розробки теоретичних засадпрофілактики та лікування променевої хвороби. Для цього необхідно було насамперед з'ясувати, які компоненти клітини та ланки обміну речовин є найбільш уразливими.

Об'єктом вивчення біофізики та радіобіології стало з'ясування природи первинних хімічних реакцій, що у живих субстратах під впливом енергії випромінювань. Тут було важливо як зрозуміти механізми цього явища, а й зуміти впливати на процес розміни фізичної енергії на хімічну, зменшити його коефіцієнт " корисного " дії. Роботам у цьому напрямі започаткували дослідження школи Н. Н. Семенова (1933) в СРСР та Д. Хіншельвуда (1935) в Англії.

Велике місце у радіобіологічних дослідженнях зайняло вивчення ступеня радіаційної опірності різних організмів. Було встановлено, що підвищена радіорезистентність (наприклад, гризунів пустель) обумовлена ​​високою антиокислювальною активністю ліпідів. клітинних мембран(М. Чанг та ін., 1964; Н. К. Огризов та ін., 1969). Виявилося, що у формуванні антиоксидативних властивостей цих систем велику роль відіграють токофероли, вітамін К і тіосполуки (І. І. Іванов та ін., 1972). В останні роки велику увагу привертають до себе також дослідження механізмів мутагенезу. З цією метою вивчається дія іонізуючих випромінювань на поведінку нуклеїнових кислот та білків in vitro, а також у вірусах та фагах (А. Густафсон, 1945 – 1950).

Боротьба за подальше підвищення ефективності хімічного захисту, пошук ефективніших інгібіторів та принципів інгібування залишаються у цьому напрямі основними завданнями біофізики.

Просунулося вперед дослідження збуджених станів біополімерів, що визначають їхню високу хімічну активність. Найбільш успішно йшло вивчення збуджених станів, що виникають на первинній стадії фотобіологічних процесів – фотосинтезу та зору.

Так, зроблено солідний внесок у розуміння первинної активації молекул пігментних систем рослин. Встановлено велике значення перекидання (міграції) енергії збуджених станів без втрат активованих пігментів на інші субстрати. Велику роль розвитку цих уявлень зіграли теоретичні роботи А. М. Тереніна (1947 і пізніше). А. А. Красновський (1949) відкрив і досліджував реакцію оборотного фотохімічного відновлення хлорофілу та його аналогів. Нині складається загальне переконання, що найближчим часом можна буде відтворити фотосинтез у штучних умовах (див. також розділ 5).

Біофізики продовжують працювати над розкриттям природи м'язового скорочення та механізмів нервового збудження та проведення (див. розділ 11). Актуального значення набули також дослідження механізмів переходу від збудженого стану до норми. Збуджений стан розглядають тепер як результат автокаталітичної реакції, а гальмування - як наслідок різкої мобілізації інгібіторної антиокислювальної активності в результаті молекулярних перегрупувань в таких сполуках, як токоферол (І. І. Іванов, О. Р. Кольс, 1966; О. Р. Кольс, 1970).

Найважливішою загальною проблемою біофізики залишається пізнання якісних фізико-хімічних особливостей живої матерії. Такі властивості, як здатність живих біополімерів вибірково пов'язувати калій або поляризувати електричний струм, не вдається зберегти навіть при їхньому обережному вилученні з організму. Тому клітинна біофізика продовжує інтенсивно розробляти критерії та методи для прижиттєвого дослідження живої матерії.

Попри молодість молекулярної біології, успіхи, досягнуті нею у цій галузі, воістину приголомшливі. За порівняно короткий термін встановлено природу гена та основні принципи його організації, відтворення та функціонування. Понад те, здійснено як розмноження генів in vitro, а й уперше завершено повний синтез самого гена. Повністю розшифровано генетичний код і вирішено найважливішу біологічну проблему специфічності біосинтезу білка. Виявлено та досліджено основні шляхи та механізми утворення білка в клітині. Повністю визначено первинну структуру багатьох транспортних РНК - специфічних молекул-адапторів, що здійснюють переклад мови нуклеїнових матриць на мову амінокислотної послідовності білка, що синтезується. До кінця розшифрована амінокислотна послідовність багатьох білків та встановлена ​​просторова структура деяких з них. Це дозволило з'ясовувати принцип і деталі функціонування молекул ферментів. Здійснено хімічний синтез одного з ферментів – рибонуклеази. Встановлено основні принципи організації різних субклітинних частинок, багатьох вірусів та фагів та розгадано основні шляхи їх біогенезу у клітині. Розкрито підходи до розуміння шляхів регуляції активності генів та з'ясування регуляторних механізмів життєдіяльності. Вже простий перелік цих відкриттів свідчить у тому, що половина XX в. ознаменувалася величезним прогресом біології, який зобов'язаний насамперед поглибленому вивченню структури та функції біологічно найважливіших макромолекул - нуклеїнових кислот і білків.

Досягнення молекулярної біології вже сьогодні використовуються на практиці та приносять відчутні плоди у медицині, сільському господарстві та деяких галузях промисловості. Безперечно, що віддача цієї науки зростатиме з кожним днем. Однак головним підсумком все ж таки слід вважати, що під впливом успіхів молекулярної біології зміцнилася впевненість у існуванні необмежених можливостей на шляху розкриття найпотаємніших таємниць життя.

У майбутньому, мабуть, будуть відкриті нові шляхи дослідження біологічної форми руху матерії – з молекулярного рівня біологія перейде на атомарний рівень. Однак зараз не знайдеться, мабуть, жодного дослідника, який міг би реально передбачити розвиток молекулярної біології навіть на найближчі 20 років.

Молекулярна біологія пережила період бурхливого розвитку власних методів дослідження, якими відрізняється від біохімії. До них, зокрема, відносяться методи генної інженерії, клонування, штучної експресії та нокауту генів. Оскільки ДНК є матеріальним носієм генетичної інформації, молекулярна біологія значно зблизилася з генетикою і на стику утворилася молекулярна генетика, що є одночасно розділом генетики та молекулярної біології. Так само, як молекулярна біологія широко застосовує віруси як інструмент дослідження, у вірусології на вирішення своїх завдань використовують методи молекулярної біології. Для аналізу генетичної інформації залучається обчислювальна техніка, у зв'язку з чим з'явилися нові напрямки молекулярної генетики, які іноді вважають спеціальними дисциплінами: біоінформатика, геноміка та протеоміка.

Історія розвитку

Це основне відкриття було підготовлено тривалим етапом досліджень генетики та біохімії вірусів та бактерій.

У 1928 році Фредерік Гріффіт вперше показав, що екстракт убитих нагріванням хвороботворних бактерій може передавати ознаку патогенності безпечним бактеріям. Дослідження трансформації бактерій надалі призвело до очищення хвороботворного агента, яким, всупереч очікуванням, виявився не білок, а нуклеїнова кислота. Сама по собі нуклеїнова кислота не є небезпечною, вона лише переносить гени, що визначають патогенність та інші властивості мікроорганізму.

У 50-х роках XX століття було показано, що у бактерій існує примітивний статевий процес, вони здатні обмінюватися позахромосомною ДНК, плазмідами. Відкриття плазмід, як і трансформації, лягло в основу поширеної в молекулярній біології плазмідної технології. Ще одним важливим для методології відкриттям стало виявлення на початку XX століття вірусів бактерій, бактеріофагів. Фаги теж можуть переносити генетичний матеріал із однієї бактеріальної клітини до іншої. Зараження бактерій фагами призводить до зміни складу бактеріальної РНК. Якщо без фагів склад РНК подібний до складу ДНК бактерії, то після зараження РНК стає більше схожа на ДНК бактеріофага. Тим самим було встановлено, що структура РНК визначається структурою ДНК. У свою чергу швидкість синтезу білка в клітинах залежить від кількості РНК-білкових комплексів. Так було сформульовано центральна догма молекулярної біології:ДНК ↔ РНК → білок.

Подальший розвиток молекулярної біології супроводжувалося як розвитком її методології, зокрема, винаходом методу визначення нуклеотидної послідовності ДНК (У. Гілберт і Ф. Сенгер, Нобелівська премія з хімії 1980), так і новими відкриттями в галузі досліджень будови та функціонування генів (див. Історія генетики. До початку XXI століття були отримані дані про первинну структуру всієї ДНК людини та цілого ряду інших організмів, найважливіших для медицини, сільського господарства та наукових досліджень, що призвело до виникнення кількох нових напрямів у біології: геноміки, біоінформатики та ін.

Див. також

• Молекулярна біологія (журнал)
• Транскриптоміка
• Молекулярна палеонтологія
• EMBO – Європейська організація молекулярних біологів

Література

• Сінгер М., Берг П.Гени та геноми. - Москва, 1998.
• Стент Р., Келіндар Р.Молекулярна генетика - Москва, 1981.
• Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. – 1989.
• Патрушев Л. І.Експресія генів. – М.: Наука, 2000. – 000 с., іл. ISBN 5-02-001890-2

Посилання

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Ардатівський район Нижегородської області
• Арзамаський район Нижегородської області

Дивитись що таке "Молекулярна біологія" в інших словниках:

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ- Вивчає осн. властивості та прояви життя на молекулярному рівні. Найважливішими напрямками в М. б. є дослідження структурно-функціональної організації генетичного апарату клітин та механізму реалізації спадкової інформації… Біологічний енциклопедичний словник

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ- Досліджує основні властивості та прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою зростання та розвиток організмів, зберігання та передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах та ін. Великий Енциклопедичний словник

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ Сучасна енциклопедія

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ- МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ, біологічне вивчення будови та функціонування МОЛЕКУЛ, з яких складаються живі організми. До основних сфер вивчення відносяться фізичні та хімічні властивості білків та НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ, таких як ДНК. Див. також… … Науково-технічний енциклопедичний словник

молекулярна біологія- розділ біол., який досліджує основні властивості та прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою зростання та розвиток організмів, зберігання та передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах і… Словник мікробіології

молекулярна біологія- - Тематики біотехнології EN molecular biology ... Довідник технічного перекладача

Молекулярна біологія- МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ, що досліджує основні властивості та прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою зростання та розвиток організмів, зберігання та передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах і… Ілюстрований енциклопедичний словник

Молекулярна біологія- наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярного, а в ряді випадків і досягає цієї межі. Кінцевою метою при цьому… Велика Радянська Енциклопедія

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ- вивчає явища життя на рівні макромолекул (гл. обр. білків та нуклеїнових до т) у безклітинних структурах (рибосоми та ін), у вірусах, а також у клітинах. Ціль М. б. встановлення ролі та механізму функціонування цих макромолекул на основі… … Хімічна енциклопедія

молекулярна біологія- Досліджує основні властивості та прояви життя на молекулярному рівні. З'ясовує, яким чином і якою мірою зростання та розвиток організмів, зберігання та передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах та інші явища. Енциклопедичний словник

Книжки

• Молекулярна біологія клітки. Збірник завдань, Дж. Вілсон, Т. Хант. Книга американських авторів - додаток до 2-го видання підручника `Молекулярна біологія клітини` Б. Албертса, Д. Брея, Дж. Льюїса та ін. Містить питання та завдання, мета яких - поглибити…

1. Введення.

Предмет, завдання та методи молекулярної біології та генетики. Значення "класичної" генетики та генетики мікроорганізмів у становленні молекулярної біології та генної інженерії. Поняття гена в "класичній" та молекулярній генетиці, його еволюція. Внесок методології генної інженерії у розвиток молекулярної генетики. Прикладне значення генної інженерії для біотехнології.

2. Молекулярні засади спадковості.

Поняття про клітину, її макромолекулярний склад. Природа генетичного матеріалу. Історія доказу генетичної функції ДНК.

2.1. Різні види нуклеїнових кислот.Біологічні функції нуклеїнових кислот. Хімічна будова, просторова структура та фізичні властивості нуклеїнових кислот. Особливості будови генетичного матеріалу про- та еукаріотів. Комплементарні пари основ Уотсона-Кріка. генетичний код. Історія розшифрування генетичного коду. Основні властивості коду: триплетність, код без ком, виродженість. Особливості кодового словника, сім'ї кодонів, смислові та «безглузді» кодони. Кільцеві молекули ДНК та поняття про надспіралізацію ДНК. Топоізомери ДНК та їх типи. Механізми дії топоізомераз. ДНК-гіраза бактерій.

2.2. Транскрипція ДНК.РНК-полімераза прокаріотів, її субодинична та тривимірна структури. Різноманітність сигма-факторів. Промотор генів прокаріотів, його структурні елементи. Стадії транскрипційного циклу. Ініціація, освіта “відкритого комплексу”, елонгація та термінація транскрипції. Атенюація транскрипції. Регулювання експресії триптофанового оперону. "Рибоперемикачі". Механізми термінації транскрипції. Негативне та позитивне регулювання транскрипції. Лактозний оперон. Регулювання транскрипції у розвитку фага лямбда. Принципи впізнавання ДНК регуляторними білками (САР-білок та репресор фага лямбда). Особливості транскрипції у еукаріотів. Процесинг РНК у еукаріотів. Кепірування, сплайсинг та поліаденілювання транскриптів. Механізми сплайсингу. Роль малих ядерних РНК та білкових факторів. Альтернативний сплайсинг, приклади.

2.3. Трансляція, її етапи, функція рибосом Локалізація рибосом у клітці. Прокаріотичний та еукаріотичний типи рибосом; 70S та 80S рибосоми. Морфологія рибосом. Підрозділ на субчастинки (субодиниці). Кодон-залежне зв'язування аміноацил-тРНК в елонгаційному циклі. Кодон-антикодонова взаємодія. Участь фактора елонгації EF1 (EF-Tu) у зв'язуванні аміноацил-тРНК із рибосомою. Чинник елонгації EF1В (EF-Ts), його функція, послідовність реакцій з його участю. Антибіотики, що впливають на етап кодон-залежного зв'язування аміноацил-тРНК із рибосомою. Аміноглікозидні антибіотики (стрептоміцин, неоміцин, канаміцин, гентаміцин та ін.), механізм їх дії. Тетрацикліни як інгібітори зв'язування аміноацил-тРНК із рибосомою. Ініціація трансляції. Основні етапи процесу ініціації. Ініціація трансляції у прокаріотів: фактори ініціації, ініціаторні кодони, 3¢-кінець РНК малої рибосомної субчастинки та послідовність Шайна-Дальгарно у мРНК. Ініціація трансляції у еукаріотів: фактори ініціації, ініціаторні кодони, 5¢-нетрансльована область та кеп-залежна «кінцева» ініціація. "Внутрішня" кеп-незалежна ініціація у еукаріотів. Транспептидація. Інгібітори транспептидації: хлорамфенікол, лінкоміцин, аміцетин, стрептограміни, анізоміцин. Транслокація. Участь фактора елонгації EF2 (EF-G) та ГТФ. Інгібітори транслокації: фусидова кислота, віоміцин, їх механізми дії. Термінація трансляції. Термінуючі кодони. Білкові фактори термінації прокаріотів та еукаріотів; два класи факторів термінації та механізми їх дії. Регуляція трансляції у прокаріотів.

2.4. Реплікація ДНКта її генетичний контроль. Полімерази, що беруть участь у реплікації, характеристика їх ферментативних активностей. Точність відтворення ДНК. Роль стеричних взаємодій між парами основ ДНК під час реплікації. Полімерази I, II та III E. coli. Субодиниці полімерази III. Виделка реплікації, “провідна” та “відстаюча” нитки під час реплікації. Фрагменти Оказаки. Комплекс білків у вилки реплікації. Регуляція ініціації реплікації E. соli. Термінація реплікації у мікробів. Особливості регулювання реплікації плазмід. Двонаправлена ​​реплікація і реплікація за типом кільця, що котиться.

2.5. Рекомбінація, її типи та моделі. Загальна чи гомологічна рекомбінація. Двониткові розриви ДНК, що ініціюють рекомбінацію. Роль рекомбінації у постреплікативній репарації двониткових розривів. Структура Холлідея в моделі рекомбінації. Ензимологія загальної рекомбінації E. coli. RecBCD комплекс. RecA білок. Роль рекомбінації у забезпеченні синтезу ДНК при пошкодженнях ДНК, що переривають реплікацію. Рекомбінація у еукаріотів. Ферменти рекомбінації у еукаріотів. Сайт-специфічна рекомбінація. Відмінності молекулярних механізмів загальної та сайт-специфічної рекомбінації. Класифікація рекомбіназу. Типи хромосомних перебудов, що здійснюються при сайт-специфічній рекомбінації. Регуляторна роль сайт-специфічної рекомбінації у бактерій. Конструювання хромосом багатоклітинних еукаріотів за допомогою системи сайт-специфічної рекомбінації фага.

2.6. Репарація ДНК.Класифікація типів репарації. Пряма репарація тімінових димерів та метильованого гуаніну. Вирізання основ. Глікозилази. Механізм репарації неспарених нуклеотидів (mismatch репарація). Вибір нитки ДНК, що репарується. SOS-репарація. Властивості ДНК полімераз, що беруть участь у SOS-репарації у прокаріотів та еукаріотів. Уявлення про "адаптивні мутації" у бактерій. Репарація двониткових розривів: гомологічна постреплікативна рекомбінація та поєднання негомологічних кінців молекули ДНК. Взаємозв'язок процесів реплікації, рекомбінації та репарації.

3. Мутаційний процес.

Роль біохімічних мутантів у формуванні теорії один ген – один фермент. Класифікація мутацій. Точкові мутації та хромосомні перебудови, механізм їх утворення. Спонтанний та індукований мутагенез. Класифікація мутагенів. Молекулярний механізм мутагенезу. Взаємозв'язок мутагенезу та репарації. Ідентифікація та селекція мутантів. Супресія: внутрішньогенна, міжгенна та фенотипічна.

4. Позахромосомні генетичні елементи.

Плазміди, їх будова та класифікація. Статевий фактор F, його будова та життєвий цикл. Роль фактора F у мобілізації хромосомного перенесення. Утворення донорів типу Hfr і F". Механізм кон'югації. Бактеріофаги, їх структура та життєвий цикл. Вірулентні та помірні бактеріофаги. Лізогенія та трансдукція. Загальна та специфічна трансдукція. Мігруючі генетичні елементи: транспозони та IS-послідовність. Транспозони в геномах прокаріотів та еукаріотів IS-послідовності бактерій, їх структура IS-послідовності як компонент F-фактору бактерій, що визначає здатність передачі генетичного матеріалу при кон'югації Транспозони бактерій та еукаріотичних організмів переносі транспозонів та його ролі у структурних перебудовах (эктопическая рекомбінація) й у еволюції геному.

5. Дослідження структури та функції гена.

Елементи генетичного аналізу. Цис-транс комплементаційний тест. Генетичне картування з використанням кон'югації, трансдукції та трансформації. Побудова генетичних карток. Тонке генетичне картування. Фізичний аналіз структури гена. Гетеродуплексний аналіз. Рестрикційний аналіз. Методи секвенування. Полімеразна ланцюгова реакція. Виявлення функції гена.

6. Регулювання експресії генів. Концепції оперону та регулону. Контроль лише на рівні ініціації транскрипції. Промотор, оператор та регуляторні білки. Позитивний та негативний контроль експресії генів. Контроль лише на рівні термінації транскрипції. Катаболіт-контрольовані оперони: моделі лактозного, галактозного, арабінозного та мальтозного оперонів. Атенюатор-контрольовані оперони: модель триптофанового оперону. Мультивалентне регулювання експресії генів. Глобальні системи регулювання. Регуляторна відповідь на стрес. Посттранскрипційний контроль. Сигальна трансдукція. Регуляція з участю РНК: малі РНК, сенсорні РНК.

7. Основи генної інженерії. Ферменти рестрикції та модифікації. Виділення та клонування генів. Вектор для молекулярного клонування. Принципи конструювання рекомбінантних ДНК та їх введення у реципієнтні клітини. Прикладні аспекти генної інженерії.

а). Основна література:

1. Вотсон Дж., Туз Дж., Рекомбінантні ДНК: Короткий курс. - М.: Світ, 1986.

2. Гени. - М.: Світ. 1987.

3. Молекулярна біологія: структура та біосинтез нуклеїнових кислот. / За ред. . - М. Вища шк. 1990.

4. , - Молекулярна біотехнологія. М. 2002.

5. Спірін рибосоми та біосинтез білка. - М.: Вища школа, 1986.

б). Додаткова література:

1. Хесін геному. - М: Наука. 1984.

2. Рибчин генетичної інженерії. - СПб.: СПбГТУ. 1999.

3. Патрушев генів. - М: Наука, 2000.

4. Сучасна мікробіологія. Прокаріоти (у 2-х тт.). - М.: Світ, 2005.

5. М. Сінгер, П. Берг. Гени та геноми. - М.: Світ, 1998.

6. Щелкунова інженерія. - Новосибірськ: З-во Сиб. Унів., 2004.

7. Степанов біологія. Структура та функції білків. - М: В. Ш., 1996.

Молекулярний біолог – це дослідник у галузі медицини, місія якого полягає, не мало не мало, у порятунку людства від небезпечних хвороб. Серед таких захворювань, наприклад, онкологія, яка на сьогоднішній день стала однією з головних причин смертності у світі, лише трохи поступаючись лідеру – серцево-судинним захворюванням. Нові методи ранньої діагностики онкології, запобігання та лікування раку – пріоритетне завдання сучасної медицини. Молекулярні біологи в галузі онкології розробляють антитіла та рекомбінантні (генетично спроектовані) білки для ранньої діагностики або цільової доставки ліків в організмі. Фахівці цієї сфери використовують найсучасніші досягнення науки та техніки для створення нових організмів та органічних речовин з метою їх подальшого використання у дослідній та клінічній діяльності. Серед методів, які використовують молекулярні біологи – клонування, трансфекція, інфекція, полімеразна ланцюгова реакція, секвенування генів та інші. Одна з фірм, зацікавлених у молекулярних біологах у Росії, – ТОВ «ПраймБіоМед». Організація займається виробництвом антитіл-реагентів для діагностики онкологічних захворювань. Такі антитіла в основному використовуються для визначення типу пухлини, її походження та злоякісності, тобто здатності до метастазування (поширення на інші частини організму). Антитіла наносяться на тонкі зрізи досліджуваної тканини, після чого зв'язуються у клітинах із певними білками – маркерами, які присутні у пухлинних клітинах, але відсутні у здорових та навпаки. Залежно від результатів дослідження, призначається подальше лікування. Серед клієнтів «ПраймБіоМед» – не лише медичні, а й наукові установи, оскільки антитіла можуть використовуватись і для вирішення дослідницьких завдань. У таких випадках можуть бути вироблені унікальні антитіла, здатні зв'язуватися з білком, що досліджується, під конкретне завдання за спеціальним замовленням. Ще один перспективний напрямок досліджень компанії - таргетна (цільова) доставка ліків в організмі. У разі антитіла використовуються як транспорт: з допомогою ліки доставляються безпосередньо до ураженим органам. Таким чином, лікування стає більш ефективним і має менше негативних наслідків для організму, ніж, наприклад, хіміотерапія, яка вражає як ракові, а й інші клітини. Професія молекулярного біолога протягом найближчих десятиліть, як очікується, буде все більш затребуваною: зі збільшенням середньої тривалості життя людини кількість онкологічних захворювань збільшуватиметься. Рання діагностика пухлин та інноваційні способи лікування за допомогою отриманих молекулярними біологами речовин дозволять врятувати життя та покращити його якість величезній кількості людей.