მოლეკულური ბიოლოგიისა და გენეტიკური ინჟინერიის ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდები. მოლეკულური ბიოლოგი

ბიოქიმიის, ბიოფიზიკის, გენეტიკის, ციტოქიმიის, მიკრობიოლოგიის და ვირუსოლოგიის მრავალი განყოფილების განვითარება XX საუკუნის 40-იანი წლების დასაწყისში. მჭიდროდ განაპირობა სიცოცხლის ფენომენების მოლეკულურ დონეზე შესწავლა. ამ მეცნიერებების მიერ ერთდროულად და სხვადასხვა მხრიდან მიღწეულმა წარმატებებმა განაპირობა ის ფაქტი, რომ მოლეკულურ დონეზე ფუნქციონირებს სხეულის ძირითადი საკონტროლო სისტემები და რომ ამ მეცნიერებების შემდგომი პროგრესი დამოკიდებული იქნება გამჟღავნებაზე. მოლეკულების ბიოლოგიური ფუნქციები, რომლებიც ქმნიან ორგანიზმების სხეულებს, მათ მონაწილეობას სინთეზსა და დაშლაში, უჯრედში ნაერთების ურთიერთ გარდაქმნასა და რეპროდუქციაში, აგრეთვე ენერგიისა და ინფორმაციის გაცვლაში, რაც ხდება ამ შემთხვევაში. ამრიგად, ამ ბიოლოგიური დისციპლინების ქიმიასთან და ფიზიკასთან შეერთებისას წარმოიშვა სრულიად ახალი ფილიალი - მოლეკულური ბიოლოგია.

ბიოქიმიისგან განსხვავებით, თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის ყურადღება ძირითადად ორიენტირებულია ბიოპოლიმერების ყველაზე მნიშვნელოვანი კლასების სტრუქტურისა და ფუნქციის შესწავლაზე - ცილები და ნუკლეინის მჟავები, რომელთაგან პირველი განსაზღვრავს მეტაბოლური რეაქციების შესაძლებლობას, ხოლო მეორე - სპეციფიკური ცილების ბიოსინთეზი. აქედან გამომდინარე, ნათელია, რომ შეუძლებელია მკაფიო განსხვავება მოლეკულურ ბიოლოგიასა და ბიოქიმიას, გენეტიკის, მიკრობიოლოგიისა და ვირუსოლოგიის შესაბამის დარგებს შორის.

მოლეკულური ბიოლოგიის გაჩენა მჭიდროდ იყო დაკავშირებული კვლევის ახალი მეთოდების შემუშავებასთან, რომლებიც უკვე განხილული იყო შესაბამის თავებში. ელექტრონული მიკროსკოპისა და მიკროსკოპული ტექნიკის სხვა მეთოდების განვითარებასთან ერთად მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა 1950-იან წლებში შემუშავებულმა ფიჭური ელემენტების ფრაქციების მეთოდებმა. ისინი ეფუძნებოდა დიფერენციალური ცენტრიფუგაციის გაუმჯობესებულ მეთოდებს (A. Claude, 1954). ამ დროისთვის უკვე არსებობდა საკმაოდ საიმედო მეთოდები ბიოპოლიმერების იზოლაციისა და დანაწილებისთვის. ეს მოიცავს, კერძოდ, ა. ტისელიუსის (1937; ნობელის პრემია, 1948) მიერ შემოთავაზებული ცილების ფრაქციების მეთოდს ელექტროფორეზით, ნუკლეინის მჟავების იზოლირებისა და გამწმენდის მეთოდებს (E. Kay, A. Downs, M. Sevag, A. Mirsky. და სხვები.). ამავდროულად, მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში შემუშავდა ქრომატოგრაფიული ანალიზის სხვადასხვა მეთოდი (A. Martin and R. Sing, 1941; ნობელის პრემია, 1952), შემდგომში მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა.

რენტგენის დიფრაქციულმა ანალიზმა ფასდაუდებელი სამსახური ითამაშა ბიოპოლიმერების სტრუქტურის გაშიფვრაში. რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის ძირითადი პრინციპები შემუშავდა ლონდონის კინგს კოლეჯში, W. Bragg-ის ხელმძღვანელობით მკვლევართა ჯგუფის მიერ, რომელშიც შედიოდნენ J. Bernal, A. Londsdale, W. Astbury, J. Robertson და სხვები.

განსაკუთრებული აღნიშვნის ღირსია პროტოპლაზმის ბიოქიმიის (1925 - 1929 წწ.), მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის პროფესორის ა.რ.კიზელის კვლევები, რომლებსაც დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა მოლეკულური ბიოლოგიის შემდგომი განვითარებისათვის. კიზელმა დარტყმა მიაყენა მყარად ფესვგადგმულ მოსაზრებას, რომ ნებისმიერი პროტოპლაზმა დაფუძნებულია სპეციალურ ცილოვან სხეულზე - ფირფიტებზე, რომელიც, სავარაუდოდ, განსაზღვრავს მის ყველა უმნიშვნელოვანეს სტრუქტურულ და ფუნქციურ მახასიათებელს. მან აჩვენა, რომ ფირფიტები არის ცილა, რომელიც გვხვდება მხოლოდ მიქსომიცეტებში, შემდეგ კი განვითარების გარკვეულ ეტაპზე და რომ პროტოპლაზმაში არ არსებობს მუდმივი კომპონენტი - ერთი ჩონჩხის ცილა. ამრიგად, პროტოპლაზმის სტრუქტურისა და ცილების ფუნქციური როლის პრობლემის შესწავლამ სწორი გზა აიღო და მიიღო მისი განვითარების სფერო. კისელის კვლევამ მოიპოვა მსოფლიო აღიარება, რაც ასტიმულირებს უჯრედის შემადგენელი ნაწილების ქიმიის შესწავლას.

ტერმინი „მოლეკულური ბიოლოგია“, რომელიც პირველად გამოიყენა ლიდსის უნივერსიტეტის ინგლისელმა კრისტალოგრაფმა, პროფესორმა ვ. ასტბერიმ, სავარაუდოდ გაჩნდა 1940-იანი წლების დასაწყისში (1945 წლამდე). 1930-იან წლებში ასთბერის მიერ ჩატარებული ცილების და დნმ-ის ფუნდამენტური რენტგენის დიფრაქციული კვლევები საფუძვლად დაედო ამ ბიოპოლიმერების მეორადი სტრუქტურის შემდგომ წარმატებულ გაშიფვრას. 1963 წელს ჯ.ბერნალი წერდა: "მას ძეგლს დაუდგეს მთელი მოლეკულური ბიოლოგია - მეცნიერება, რომელიც მან დაასახელა და მართლაც დააარსა" * , ლიტერატურაში ეს ტერმინი პირველად გამოჩნდა, ალბათ, 1946 წელს. W. Astbury-ის სტატიაში "ორგანული და ფიბრილარული ნაერთების რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის პროგრესი", რომელიც გამოქვეყნდა ინგლისურ ჟურნალში "Nature" ** . ჰარვის ლექციაში ასტბერიმ (1950) აღნიშნა: „მოხარული ვარ, რომ ტერმინი მოლეკულური ბიოლოგია ახლა საკმაოდ ფართოდ გამოიყენება, თუმცა ნაკლებად სავარაუდოა, რომ მე ვიყავი პირველი, ვინც შემომთავაზა იგი. მომეწონა და დიდი ხანია ვცდილობდი მის გავრცელებას. ”***. უკვე 1950 წელს ასტბერიმ ცხადყო, რომ მოლეკულური ბიოლოგია ძირითადად ეხება მაკრომოლეკულების სტრუქტურასა და კონფორმაციას, რომელთა შესწავლას გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს ცოცხალი ორგანიზმების ფუნქციონირების გასაგებად.

* (ბიოგრ. მემ. თანამემამულე როი. სოც, 1963 წ. 9, 29.)

** (W. T. Astbury. ორგანული და ბოჭკოვანი სტრუქტურების რენტგენოლოგიური ანალიზის მიმდინარეობა.- ბუნება,. 1946 წ., ვ. 157, 121.)

*** (W. T. Astbury. თავგადასავლები მოლეკულურ ბიოლოგიაში. თომას სპრინგფილდი, 1952, გვ. 3.)

მოლეკულურ ბიოლოგიას აწყდება და აწყდება, ფაქტობრივად, იგივე ამოცანები, როგორც მთლიანი ბიოლოგია - ცხოვრების არსის ცოდნა და მისი ძირითადი ფენომენები, კერძოდ, როგორიცაა მემკვიდრეობა და ცვალებადობა. თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგია, უპირველეს ყოვლისა, მიზნად ისახავს გენების სტრუქტურისა და ფუნქციის გაშიფვრას, ორგანიზმების გენეტიკური ინფორმაციის რეალიზაციის გზებსა და მექანიზმებს ონტოგენეზის სხვადასხვა ეტაპზე და მისი წაკითხვის სხვადასხვა ეტაპზე. იგი შექმნილია გენის აქტივობისა და უჯრედების დიფერენციაციის რეგულირების დახვეწილი მექანიზმების გამოსავლენად, მუტაგენეზის ბუნებისა და ევოლუციური პროცესის მოლეკულური საფუძვლის გასარკვევად.

ნუკლეინის მჟავების გენეტიკური როლის დადგენა

მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარებისთვის ყველაზე დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა შემდეგ აღმოჩენებს. 1944 წელს ამერიკელმა მკვლევარებმა O. Avery, K. McLeod (ნობელის პრემია, 1923) და M. McCarthy აჩვენეს, რომ პნევმოკოკებისგან იზოლირებულ დნმ-ის მოლეკულებს აქვთ ტრანსფორმირებადი აქტივობა. ამ დნმ-ების დეზოქსირიბონუკლეაზის ჰიდროლიზის შემდეგ, მათი ტრანსფორმაციული აქტივობა მთლიანად გაქრა. ამრიგად, პირველად, დამაჯერებლად დადასტურდა, რომ უჯრედში გენეტიკური ფუნქციებით დაჯილდოვებულია დნმ და არა ცილა.

სამართლიანობისთვის უნდა აღინიშნოს, რომ ბაქტერიული ტრანსფორმაციის ფენომენი აღმოაჩინეს ბევრად უფრო ადრე, ვიდრე ევერის, მაკლეოდისა და მაკარტის აღმოჩენა. 1928 წელს ფ. გრიფიტმა გამოაქვეყნა სტატია, რომელშიც მან იტყობინება, რომ მას შემდეგ, რაც დაამატა მოკლული ვირულენტური შტამის უჯრედები არა-ვირულენტულ (არაკაფსულირებულ) პნევმოკოკებში, შედეგად მიღებული უჯრედების ნარევი თაგვებისთვის ფატალური ხდება. უფრო მეტიც, ცოცხალი პნევმოკოკური უჯრედები, რომლებიც იზოლირებულია ამ ნარევით ინფიცირებული ცხოველებისგან, უკვე ვირულენტური იყო და გააჩნდა პოლისაქარიდის კაფსულა. ამრიგად, ამ ექსპერიმენტში აჩვენეს, რომ მოკლული პნევმოკოკური უჯრედების ზოგიერთი კომპონენტის გავლენის ქვეშ, ბაქტერიების არაკაფსულირებული ფორმა გადაიქცევა კაფსულის წარმომქმნელ ვირულენტულ ფორმაში. თექვსმეტი წლის შემდეგ, ევერიმ, მაკლეოდმა და მაკართიმ ამ ექსპერიმენტში ჩაანაცვლეს მოკლული პნევმოკოკური უჯრედები თავიანთი დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავით და აჩვენეს, რომ სწორედ დნმ-ს ჰქონდა ტრანსფორმაციული აქტივობა (იხილეთ აგრეთვე თავები 7 და 25). ამ აღმოჩენის მნიშვნელობის გადაჭარბება რთულია. მან ხელი შეუწყო ნუკლეინის მჟავების შესწავლას მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში და აიძულა მეცნიერები ფოკუსირება მოეხდინათ დნმ-ზე.

ევერის, მაკლეოდისა და მაკარტის აღმოჩენასთან ერთად, 1950-იანი წლების დასაწყისისთვის, უკვე დაგროვდა საკმაოდ დიდი რაოდენობით პირდაპირი და არაპირდაპირი მტკიცებულება, რომ ნუკლეინის მჟავები განსაკუთრებულ როლს თამაშობენ ცხოვრებაში და ასრულებენ გენეტიკურ ფუნქციას. ეს, კერძოდ, მიუთითებდა უჯრედში დნმ-ის ლოკალიზაციის ბუნებით და რ. ვენდრილის (1948) მონაცემებით, რომ დნმ-ის შემცველობა უჯრედზე მკაცრად მუდმივია და კორელირებს პლოიდის ხარისხთან: ჰაპლოიდურ ჩანასახოვან უჯრედებში დნმ არის. ნახევარი დიპლოიდურ სომატურ უჯრედებში. დნმ-ის გამოხატული მეტაბოლური სტაბილურობა ასევე მოწმობს დნმ-ის გენეტიკური როლის სასარგებლოდ. 1950-იანი წლების დასაწყისისთვის უამრავი სხვადასხვა ფაქტი დაგროვდა, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ცნობილი მუტაგენური ფაქტორების უმეტესობა მოქმედებს ძირითადად ნუკლეინის მჟავებზე და, კერძოდ, დნმ-ზე (R. Hotchkiss, 1949; G. Ephrussi-Taylor, 1951; E. Freese, 1957 და სხვები).

ნუკლეინის მჟავების გენეტიკური როლის დადგენისას განსაკუთრებული მნიშვნელობა ჰქონდა სხვადასხვა ფაგებისა და ვირუსების შესწავლას. 1933 წელს დ.შლეზინგერმა აღმოაჩინა დნმ Escherichia coli-ს ბაქტერიოფაგში. სტენლის მიერ თამბაქოს მოზაიკის ვირუსის (TMV) კრისტალურ მდგომარეობაში იზოლაციის შემდეგ (1935, ნობელის პრემია, 1946), დაიწყო მცენარეთა ვირუსების შესწავლის ახალი ეტაპი. 1937 - 1938 წლებში. როტჰამსტედის სასოფლო-სამეურნეო სადგურის (ინგლისი) თანამშრომლებმა F. Bowden-მა და N. Peary-მ აჩვენეს, რომ მათ მიერ იზოლირებული ბევრი მცენარეული ვირუსი არ არის გლობულინები, არამედ არის რიბონუკლეოპროტეინები და შეიცავს ნუკლეინის მჟავას, როგორც სავალდებულო კომპონენტს. 40-იანი წლების დასაწყისში გამოქვეყნდა G. Schramm (1940), P. A. Agatov (1941), G. Miller და W. Stanley (1941), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ცილის კომპონენტის შესამჩნევი ქიმიური მოდიფიკაცია არ იწვევს. TMV ინფექციურობის დაკარგვამდე. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ ცილოვანი კომპონენტი არ შეიძლება იყოს ვირუსის მემკვიდრეობითი თვისებების მატარებელი, როგორც ამას მრავალი მიკრობიოლოგი აგრძელებდა. მცენარეთა ვირუსებში ნუკლეინის მჟავას (რნმ) გენეტიკური როლის სასარგებლოდ დამაჯერებელი მტკიცებულება მოიპოვეს 1956 წელს გ.შრამმა ტუბინგენში (FRG) და ჰ. ფრენკელ-კონრათმა კალიფორნიაში (აშშ). ამ მკვლევარებმა თითქმის ერთდროულად და ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად გამოიღეს რნმ TMV-დან და აჩვენეს, რომ მას და არა ცილას აქვს ინფექციურობა: ამ რნმ-ით თამბაქოს მცენარეების ინფექციის შედეგად წარმოიქმნა და გამრავლდა მათში ნორმალური ვირუსული ნაწილაკები. ეს ნიშნავს, რომ რნმ შეიცავს ინფორმაციას ყველა ვირუსული კომპონენტის, მათ შორის ვირუსული ცილის სინთეზისა და შეკრების შესახებ. 1968 წელს, ი.

1957 წელს Frenkel-Konrat-მა პირველად ჩაატარა TMV-ის რეკონსტრუქცია მისი შემადგენელი კომპონენტებისგან - რნმ და ცილა. ნორმალურ ნაწილაკებთან ერთად მან მიიღო შერეული „ჰიბრიდები“, რომლებშიც რნმ იყო ერთი შტამიდან, ხოლო ცილა მეორისგან. ასეთი ჰიბრიდების მემკვიდრეობა მთლიანად განისაზღვრა რნმ-ით და ვირუსების შთამომავლობა ეკუთვნოდა იმ შტამს, რომლის რნმ გამოიყენებოდა საწყისი შერეული ნაწილაკების მისაღებად. მოგვიანებით A. Gierer, G. Schuster და G. Schramm (1958) და G. Witman (1960 - 1966) ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ TMV ბირთვული კომპონენტის ქიმიური მოდიფიკაცია იწვევს ამ ვირუსის სხვადასხვა მუტანტების გამოჩენას.

1970 წელს დ.ბალტიმორმა და გ.ტემინმა აღმოაჩინეს, რომ გენეტიკური ინფორმაციის გადაცემა შეიძლება მოხდეს არა მხოლოდ დნმ-დან რნმ-ზე, არამედ პირიქით. მათ ზოგიერთ ონკოგენურ რნმ-ის შემცველ ვირუსებში (ონკორნავირუსები) აღმოაჩინეს სპეციალური ფერმენტი, ეგრეთ წოდებული საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა, რომელსაც შეუძლია რნმ-ის ჯაჭვებზე დამატებითი დნმ-ის სინთეზირება. ამ უმთავრესმა აღმოჩენამ შესაძლებელი გახადა გაეგო მასპინძლის გენომში რნმ-ის შემცველი ვირუსების გენეტიკური ინფორმაციის ჩასმის მექანიზმი და ახალი დათვალიერება მათი ონკოგენური მოქმედების ბუნებაზე.

ნუკლეინის მჟავების აღმოჩენა და მათი თვისებების შესწავლა

ტერმინი ნუკლეინის მჟავები შემოიღო გერმანელმა ბიოქიმიკოსმა რ. ალტმანმა 1889 წელს, მას შემდეგ რაც ეს ნაერთები აღმოაჩინა 1869 წელს შვეიცარიელმა ექიმმა ფ. მიშერმა. მიშერმა ჩირქოვანი უჯრედები განზავებული მარილმჟავით რამდენიმე კვირის განმავლობაში ამოიღო და დანარჩენში თითქმის სუფთა ბირთვული მასალა მიიღო. მან ეს მასალა უჯრედის ბირთვების დამახასიათებელ ნივთიერებად მიიჩნია და მას ნუკლეინი უწოდა. თავისი თვისებებით ნუკლეინი მკვეთრად განსხვავდებოდა ცილებისგან: უფრო მჟავე იყო, არ შეიცავდა გოგირდს, მაგრამ შეიცავდა ბევრ ფოსფორს, ადვილად ხსნადი. ტუტეებში, მაგრამ არ იხსნება განზავებულ მჟავებში.

მიშერმა ნუკლეინზე დაკვირვების შედეგები გაუგზავნა ფ.გოპე-სეილერს ჟურნალში გამოსაქვეყნებლად. მის მიერ აღწერილი ნივთიერება იმდენად უჩვეულო იყო (იმ დროს ყველა ბიოლოგიური ფოსფორის შემცველი ნაერთებიდან მხოლოდ ლეციტინი იყო ცნობილი), რომ გოპე-სეილერმა არ დაუჯერა მიშერის ექსპერიმენტებს, დაუბრუნა ხელნაწერი და თავის თანამშრომლებს ნ. პლოშსა და ნ. ლიუბავინს დაავალა. შეამოწმეთ მისი დასკვნები სხვა მასალაზე. მიშერის ნაშრომი „ჩირქოვანი უჯრედების ქიმიური შემადგენლობის შესახებ“ გამოიცა ორი წლის შემდეგ (1871 წ.). პარალელურად გამოქვეყნდა გოპე-სეილერისა და მისი თანამშრომლების ნაშრომები ჩირქოვანი უჯრედების, ფრინველების, გველების და სხვა უჯრედების ერითროციტების შემადგენლობის შესახებ. მომდევნო სამი წლის განმავლობაში ნუკლეინი იზოლირებული იყო ცხოველური უჯრედებისა და საფუარისგან.

თავის ნაშრომში მიშერმა აღნიშნა, რომ სხვადასხვა ნუკლეინების დეტალურმა შესწავლამ შეიძლება გამოიწვიოს მათ შორის განსხვავებების დადგენა, რითაც განჭვრეტს ნუკლეინის მჟავების სპეციფიკურობის იდეას. ორაგულის რძის შესწავლისას მიშერმა აღმოაჩინა, რომ მათში არსებული ნუკლეინი მარილის სახითაა და დაკავშირებულია მთავარ ცილასთან, რომელსაც მან პროტამინი უწოდა.

1879 წელს ა. კოსელმა დაიწყო ნუკლეინის შესწავლა გოპე-სეილერის ლაბორატორიაში. 1881 წელს მან გამოყო ჰიპოქსანტინი ნუკლეინისგან, მაგრამ იმ დროს მას ჯერ კიდევ ეჭვი ეპარებოდა ამ ბაზის წარმოშობაში და თვლიდა, რომ ჰიპოქსანტინი შეიძლება იყოს ცილების დეგრადაციის პროდუქტი. 1891 წელს ნუკლეინის ჰიდროლიზის პროდუქტებს შორის კოსელმა აღმოაჩინა ადენინი, გუანინი, ფოსფორის მჟავა და სხვა ნივთიერება შაქრის თვისებებით. ნუკლეინის მჟავების ქიმიის კვლევისთვის კოსელს 1910 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.

ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის გაშიფვრის შემდგომი პროგრესი დაკავშირებულია პ.ლევინისა და მისი კოლეგების კვლევასთან (1911 - 1934 წწ.). 1911 წელს პ. ლევინმა და ვ. ჯეიკობსმა დაადგინეს ადენოზინისა და გუანოზინის ნახშირწყლების კომპონენტი; მათ აღმოაჩინეს, რომ ეს ნუკლეოზიდები შეიცავს D-რიბოზას. 1930 წელს ლევინმა აჩვენა, რომ დეზოქსირიბონუკლეოზიდების ნახშირწყლების კომპონენტია 2-დეოქსი-D-რიბოზა. მისი ნაშრომიდან ცნობილი გახდა, რომ ნუკლეინის მჟავები აგებულია ნუკლეოტიდებისგან, ანუ ფოსფორილირებული ნუკლეოზიდებისგან. ლევინს სჯეროდა, რომ ნუკლეინის მჟავებში (რნმ) ბმის ძირითადი ტიპი არის 2", 5" ფოსფოდიესტერის ბმა. ეს მოსაზრება მცდარი აღმოჩნდა. ინგლისელი ქიმიკოსის ა.ტოდის (ნობელის პრემია, 1957) და მისი თანამშრომლების, ასევე ინგლისელი ბიოქიმიკოსების რ. მარკჰემისა და ჯ. სმიტის ნაშრომების წყალობით, 50-იანი წლების დასაწყისში ცნობილი გახდა, რომ რნმ-ში ბმის ძირითადი ტიპი. არის 3", 5" - ფოსფოდიესტერული ბმა.

ლევინმა აჩვენა, რომ სხვადასხვა ნუკლეინის მჟავები შეიძლება განსხვავდებოდეს ნახშირწყლების კომპონენტის ბუნებით: ზოგიერთი მათგანი შეიცავს შაქარ დეოქსირიბოზას, ზოგი კი შეიცავს რიბოზას. გარდა ამისა, ნუკლეინის მჟავების ეს ორი ტიპი განსხვავდებოდა ერთ-ერთი ფუძის ბუნებით: პენტოზის ტიპის ნუკლეინის მჟავები შეიცავდა ურაცილს, ხოლო დეოქსიპენტოზის ტიპის ნუკლეინის მჟავები შეიცავდა თიმინს. დეოქსიპენტოზის ნუკლეინის მჟავა (თანამედროვე ტერმინოლოგიით, დეოქსირიბონუკლეინის მჟავა - დნმ) ჩვეულებრივ ადვილად იზოლირებული იყო დიდი რაოდენობით ხბოების თიმუსისგან (ტკბილი ჯირკვალი). ამიტომ მას თიმონუკლეინის მჟავა ეწოდა. პენტოზას ტიპის ნუკლეინის მჟავის (რნმ) წყარო ძირითადად იყო საფუარი და ხორბლის ჩანასახები. ამ ტიპს ხშირად მოიხსენიებდნენ, როგორც საფუარის ნუკლეინის მჟავას.

1930-იანი წლების დასაწყისში წარმოდგენა, რომ მცენარეთა უჯრედებს ახასიათებდა საფუარის ტიპის ნუკლეინის მჟავა, საკმაოდ მყარად იყო ფესვგადგმული, ხოლო თიმონუკლეინის მჟავა დამახასიათებელი იყო მხოლოდ ცხოველური უჯრედების ბირთვებისთვის. ნუკლეინის მჟავების ორ ტიპს, რნმ-ს და დნმ-ს, მაშინ ეწოდა მცენარეული და ცხოველური ნუკლეინის მჟავები, შესაბამისად. თუმცა, როგორც ა.ნ. ბელოზერსკის ადრეულმა კვლევებმა აჩვენა, ნუკლეინის მჟავების ასეთი დაყოფა გაუმართლებელია. 1934 წელს ბელოზერსკიმ პირველად აღმოაჩინა თიმონუკლეინის მჟავა მცენარეთა უჯრედებში: ბარდის ნერგებიდან მან გამოყო და ამოიცნო დნმ-ისთვის დამახასიათებელი თიმინ-პირიმიდინის ბაზა. შემდეგ მან აღმოაჩინა თიმინი სხვა მცენარეებში (სოიოს თესლი, ლობიო). 1936 წელს ა.ნ. ბელოზერსკიმ და ი.ი. დუბროვსკაიამ მოამზადეს დნმ ცხენის წაბლის ნერგებიდან. გარდა ამისა, 1940-იან წლებში ინგლისში ჩატარებულმა კვლევებმა დ.დევიდსონმა და თანამშრომლებმა დამაჯერებლად აჩვენეს, რომ მცენარეთა ნუკლეინის მჟავა (რნმ) შეიცავს ბევრ ცხოველურ უჯრედს.

რ. ფელგენისა და გ. როზენბეკის (1924) მიერ შემუშავებული დნმ-სთვის ციტოქიმიური რეაქციის ფართო გამოყენებამ და რნმ-სთვის ჯ. ბრაშეტის (1944) რეაქციამ შესაძლებელი გახადა ამ ნუკლეინების უპირატესი ლოკალიზაციის საკითხის სწრაფად და ცალსახად გადაჭრა. მჟავები უჯრედში. აღმოჩნდა, რომ დნმ კონცენტრირებულია ბირთვში, ხოლო რნმ უპირატესად ციტოპლაზმაში. მოგვიანებით გაირკვა, რომ რნმ შეიცავს როგორც ციტოპლაზმაში, ასევე ბირთვში და გარდა ამისა, გამოვლინდა ციტოპლაზმური დნმ.

რაც შეეხება ნუკლეინის მჟავების პირველადი სტრუქტურის საკითხს, 1940-იანი წლების შუა პერიოდისთვის მეცნიერებაში მყარად დამკვიდრდა პ.ლევინის იდეა, რომლის მიხედვითაც ყველა ნუკლეინის მჟავა აგებულია ერთი და იგივე ტიპის მიხედვით და შედგება ერთი და იგივე ე.წ. ტეტრანუკლეოტიდისგან. ბლოკები. თითოეული ეს ბლოკი, ლევინის მიხედვით, შეიცავს ოთხ განსხვავებულ ნუკლეოტიდს. ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის ტეტრანუკლეოტიდურმა თეორიამ დიდწილად ჩამოართვა ამ ბიოპოლიმერებს სპეციფიკა. აქედან გამომდინარე, გასაკვირი არ არის, რომ იმ დროს ცოცხალი არსების ყველა სპეციფიკა მხოლოდ ცილებთან იყო დაკავშირებული, რომელთა მონომერების ბუნება ბევრად უფრო მრავალფეროვანია (20 ამინომჟავა).

ნუკლეინის მჟავების ტეტრანუკლეოტიდური სტრუქტურის თეორიაში პირველი ხარვეზი წარმოიშვა ინგლისელი ქიმიკოსის ჯ.გოულენდის (1945 - 1947) ანალიტიკური მონაცემებით. ფუძე აზოტით ნუკლეინის მჟავების შემადგენლობის განსაზღვრისას მან ვერ მიიღო ფუძეების თანაბარი თანაფარდობა, როგორც ეს უნდა ყოფილიყო ლევინის თეორიის მიხედვით. საბოლოოდ, ე.ჩარგაფის და მისი თანამშრომლების (1949 - 1951 წწ.) კვლევის შედეგად დაიშალა ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის ტეტრანუკლეოტიდური თეორია. ჩარგაფმა გამოიყენა ქაღალდის ქრომატოგრაფია მისი მჟავა ჰიდროლიზის შედეგად დნმ-ისგან გამოთავისუფლებული ფუძეების გამოსაყოფად. თითოეული ეს ბაზა ზუსტად იყო განსაზღვრული სპექტროფოტომეტრიულად. ჩარგაფმა შენიშნა მნიშვნელოვანი გადახრები სხვადასხვა წარმოშობის დნმ-ში ფუძეების ეკვმოლარული თანაფარდობიდან და პირველად დაადასტურა, რომ დნმ-ს აქვს გამოხატული სახეობრივი სპეციფიკა. ამით დასრულდა ცილის სპეციფიკის კონცეფციის ჰეგემონია ცოცხალ უჯრედში. სხვადასხვა წარმოშობის დნმ-ის ანალიზისას ჩარგაფმა აღმოაჩინა და ჩამოაყალიბა დნმ-ის შემადგენლობის უნიკალური ნიმუშები, რომლებიც მეცნიერებაში შევიდა ჩარგაფის წესების სახელით. ამ წესების მიხედვით, ყველა დნმ-ში, მიუხედავად წარმოშობისა, ადენინის რაოდენობა ტოლია თიმინის რაოდენობას (A = T), გუანინის რაოდენობა უდრის ციტოზინის რაოდენობას (G = C), პურინები უდრის პირიმიდინების რაოდენობას (G + A = C + T), 6-ამინო ჯგუფის მქონე ბაზების რაოდენობა უდრის 6-კეტო ჯგუფის მქონე ბაზების რაოდენობას (A + C = G + T). ამავდროულად, ასეთი მკაცრი რაოდენობრივი შესაბამისობის მიუხედავად, სხვადასხვა სახეობის დნმ განსხვავდება A+T:G+C თანაფარდობის მნიშვნელობით. ზოგიერთ დნმ-ში გუანინისა და ციტოზინის რაოდენობა ჭარბობს ადენინისა და თიმინის რაოდენობას (ჩარგაფმა ამ დნმ-ს GC ტიპის დნმ უწოდა); სხვა დნმ-ები შეიცავდა უფრო მეტ ადენინს და თიმინს, ვიდრე გუანინი და ციტოზინი (ამ დნმ-ებს ეწოდა AT-ტიპის დნმ). ჩარგაფის მიერ მოპოვებულმა მონაცემებმა დნმ-ის შემადგენლობის შესახებ განსაკუთრებული როლი ითამაშა მოლეკულურ ბიოლოგიაში. სწორედ მათ დაედო საფუძველი დნმ-ის სტრუქტურის აღმოჩენას, რომელიც 1953 წელს ჯ. უოტსონმა და ფ. კრიკმა გააკეთეს.

ჯერ კიდევ 1938 წელს, W. Astbury-მ და F. Bell-მა რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით აჩვენეს, რომ დნმ-ის ფუძის სიბრტყეები უნდა იყოს პერპენდიკულარული მოლეკულის გრძელ ღერძზე და წააგავდეს, თითქოს, ზემოდან დაყრილ ფირფიტების დასტას. ერთმანეთის. რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის ტექნიკის გაუმჯობესებით, 1952 - 1953 წლებში. დაგროვილი ინფორმაცია, რამაც შესაძლებელი გახადა ცალკეული ბმების სიგრძისა და დახრილობის კუთხეების მსჯელობა. ამან შესაძლებელი გახადა დიდი ალბათობით წარმოედგინა დნმ-ის მოლეკულის შაქარ-ფოსფატის ხერხემალში პენტოზის ნარჩენების რგოლების ორიენტაციის ბუნება. 1952 წელს ს. ფარბერგმა შემოგვთავაზა დნმ-ის ორი სპეკულაციური მოდელი, რომლებიც წარმოადგენდნენ ერთჯაჭვიან მოლეკულას დაკეცილს ან დაგრეხილს საკუთარ თავზე. დნმ-ის სტრუქტურის არანაკლებ სპეკულაციური მოდელი შემოგვთავაზეს 1953 წელს ლ. პაულინგმა (ნობელის პრემიის ლაურეატი, 1954) და რ. კორიმ. ამ მოდელში დნმ-ის სამი გრეხილი ჯაჭვი წარმოქმნიდა გრძელ სპირალს, რომლის ბირთვი წარმოდგენილი იყო ფოსფატური ჯგუფებით, ხოლო ფუძეები მდებარეობდა მის გარეთ. 1953 წლისთვის მ. უილკინსმა და რ. ფრანკლინმა მიიღეს დნმ-ის უფრო მკაფიო რენტგენის დიფრაქციის ნიმუშები. მათმა ანალიზმა აჩვენა ფარბერგის, პაულინგისა და კორის მოდელების სრული წარუმატებლობა. ჩარგაფის მონაცემების გამოყენებით, ცალკეული მონომერების მოლეკულური მოდელების სხვადასხვა კომბინაციებისა და რენტგენის დიფრაქციის მონაცემების შედარებისას, ჯ. უოტსონმა და ფ. კრიკმა 1953 წელს მივიდნენ დასკვნამდე, რომ დნმ-ის მოლეკულა უნდა იყოს ორჯაჭვიანი სპირალი. ჩარგაფის წესები მკაცრად ზღუდავდა დნმ-ის შემოთავაზებულ მოდელში ფუძეების შესაძლო მოწესრიგებული კომბინაციების რაოდენობას; მათ უოტსონსა და კრიკს შესთავაზეს, რომ დნმ-ის მოლეკულაში უნდა არსებობდეს სპეციფიკური ბაზის დაწყვილება - ადენინი თიმინთან და გუანინი ციტოზინთან. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ადენინი დნმ-ის ერთ ჯაჭვში ყოველთვის მკაცრად შეესაბამება თიმინს მეორე ჯაჭვში, ხოლო გუანინი ერთ ჯაჭვში აუცილებლად შეესაბამება ციტოზინს მეორე ჯაჭვში. ამრიგად, უოტსონმა და კრიკმა პირველებმა ჩამოაყალიბეს დნმ-ის დამატებითი სტრუქტურის უაღრესად მნიშვნელოვანი პრინციპი, რომლის მიხედვითაც დნმ-ის ერთი ჯაჭვი ავსებს მეორეს, ანუ ერთი ჯაჭვის საბაზისო თანმიმდევრობა ცალსახად განსაზღვრავს ფუძე თანმიმდევრობას მეორე (შემავსებელ) ჯაჭვში. . აშკარა გახდა, რომ უკვე დნმ-ის სტრუქტურაში დევს მისი ზუსტი რეპროდუქციის პოტენციალი. დნმ-ის სტრუქტურის ეს მოდელი ამჟამად ზოგადად მიღებულია. კრიკს, უოტსონს და უილკინსს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1962 წელს დნმ-ის სტრუქტურის გაშიფვრისთვის.

უნდა აღინიშნოს, რომ მაკრომოლეკულების ზუსტი გამრავლებისა და მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემის მექანიზმის იდეა წარმოიშვა ჩვენს ქვეყანაში. 1927 წელს ნ.კ. კოლცოვმა თქვა, რომ უჯრედის რეპროდუქციის დროს მოლეკულების რეპროდუქცია ხდება არსებული მშობელი მოლეკულების ზუსტი ავტოკატალიტიკური რეპროდუქციით. მართალია, იმ დროს კოლცოვმა ეს თვისება დააჯილდოვა არა დნმ-ის მოლეკულებით, არამედ ცილოვანი ბუნების მოლეკულებით, რომელთა ფუნქციური მნიშვნელობა მაშინ უცნობი იყო. მიუხედავად ამისა, მაკრომოლეკულების ავტოკატალიტიკური რეპროდუქციის იდეა და მემკვიდრეობითი თვისებების გადაცემის მექანიზმი წინასწარმეტყველური აღმოჩნდა: იგი გახდა თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის სახელმძღვანელო იდეა.

ა.ნ. ბელოზერსკის ლაბორატორიაში ჩატარდა A.S. Spirin, G.N. Zaitseva, B.F.Vanyushin, S.O. Uryson, A.S.Antonov და სხვა ორგანიზმების მრავალფეროვნება სრულად დაადასტურა ჩარგაფის მიერ აღმოჩენილი ნიმუშები და სრული შესაბამისობა დნმ-ის სტრუქტურის მოლეკულურ მოდელთან, რომელსაც შემოთავაზებული უოტსონი. და კრიკი. ამ კვლევებმა აჩვენა, რომ სხვადასხვა ბაქტერიების, სოკოების, წყალმცენარეების, აქტინომიცეტების, უმაღლესი მცენარეების, უხერხემლოების და ხერხემლიანების დნმ-ს აქვს სპეციფიკური შემადგენლობა. შემადგენლობის (AT-ბაზის წყვილების შემცველობა) განსხვავებები განსაკუთრებით გამოხატულია მიკროორგანიზმებში, რაც მნიშვნელოვანი ტაქსონომიური მახასიათებელია. მაღალ მცენარეებსა და ცხოველებში დნმ-ის შემადგენლობის სახეობების ვარიაციები გაცილებით ნაკლებად გამოხატულია. მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ მათი დნმ ნაკლებად სპეციფიკურია. ბაზების შემადგენლობის გარდა, სპეციფიკა დიდწილად განისაზღვრება მათი თანმიმდევრობით დნმ-ის ჯაჭვებში.

ჩვეულებრივ ფუძეებთან ერთად დნმ-სა და რნმ-ში აღმოაჩინეს დამატებითი აზოტოვანი ბაზები. ამრიგად, G. White-მა (1950) აღმოაჩინეს 5-მეთილციტოზინი მცენარეებისა და ცხოველების დნმ-ში, ხოლო D. Dunn და J. Smith (1958) აღმოაჩინეს მეთილირებული ადენინი ზოგიერთ დნმ-ში. დიდი ხნის განმავლობაში მეთილციტოზინი ითვლებოდა უმაღლესი ორგანიზმების გენეტიკური მასალის დამახასიათებელ ნიშნად. 1968 წელს ა.ნ.ბელოზერსკიმ, ბ.ფ.ვანიუშინმა და ნ.ა.კოკურინამ აღმოაჩინეს, რომ ის ასევე გვხვდება ბაქტერიების დნმ-ში.

1964 წელს მ. გოლდმა და ჯ. ჰურვიცმა აღმოაჩინეს ფერმენტების ახალი კლასი, რომლებიც ახორციელებენ დნმ-ის ბუნებრივ მოდიფიკაციას - მის მეთილაციას. ამ აღმოჩენის შემდეგ გაირკვა, რომ მცირე (მცირე რაოდენობით შემცველი) ფუძეები უკვე წარმოიქმნება მზა დნმ-ის პოლინუკლეოტიდურ ჯაჭვზე ციტოზინის და ადენინის ნარჩენების სპეციფიური მეთილაციის შედეგად სპეციალურ თანმიმდევრობებში. კერძოდ, B.F. Vanyushin-ის, Ya.I. Buryanov-ისა და A.N. Belozersky-ის (1969) მიხედვით, E. coli-ს დნმ-ში ადენინის მეთილაცია შეიძლება მოხდეს ტერმინალურ კოდონებში. ა.ნ. ბელოზერსკის და კოლეგების (1968 - 1970 წწ.), ისევე როგორც მ. მესელსონის (აშშ) და ვ. არბერის (შვეიცარია) (1965 - 1969 წწ.) მიხედვით, მეთილაცია ანიჭებს უნიკალურ ინდივიდუალურ მახასიათებლებს დნმ-ის მოლეკულებს და მოქმედებასთან ერთად. სპეციფიკური ნუკლეაზები, არის რთული მექანიზმის ნაწილი, რომელიც აკონტროლებს უჯრედში დნმ-ის სინთეზს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კონკრეტული დნმ-ის მეთილაციის ბუნება წინასწარ განსაზღვრავს საკითხს, შეუძლია თუ არა მას გამრავლება მოცემულ უჯრედში.

თითქმის პარალელურად დაიწყო დნმ მეთილაზებისა და რესტრიქციული ენდონუკლეაზების იზოლაცია და ინტენსიური შესწავლა; 1969 - 1975 წლებში დადგენილია დნმ-ში ზოგიერთი ამ ფერმენტის მიერ აღიარებული ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობები (X. Boyer, X. Smith, S. Lynn, K. Murray). როდესაც სხვადასხვა დნმ ჰიდროლიზდება შემაკავებელი ფერმენტის მიერ, საკმაოდ დიდი ფრაგმენტები იდენტური „წებოვანი“ ბოლოებით იშლება. ეს შესაძლებელს ხდის არა მხოლოდ გენების სტრუქტურის გაანალიზებას, როგორც ეს ხდება მცირე ვირუსებში (D. Nathans, S. Adler, 1973 - 1975), არამედ სხვადასხვა გენომის აგებაც. ამ სპეციფიკური შეზღუდვის ფერმენტების აღმოჩენით, გენეტიკური ინჟინერია ხელშესახები რეალობად იქცა. პატარა პლაზმიდურ დნმ-ში ჩადებული სხვადასხვა წარმოშობის გენები უკვე ადვილად შეჰყავთ სხვადასხვა უჯრედებში. ამრიგად, მიღებული იქნა ბიოლოგიურად აქტიური პლაზმიდების ახალი ტიპი, რომელიც აძლევდა წინააღმდეგობას გარკვეულ ანტიბიოტიკებზე (S. Cohen, 1973), ბაყაყისა და დროზოფილას რიბოსომური გენები შეიყვანეს Escherichia coli-ს პლაზმიდებში (J. Morrow, 1974; X. Boyer, D. ჰოგნესი, რ. დევისი, 1974 - 1975 წწ. ამრიგად, რეალური გზები ღიაა ფუნდამენტურად ახალი ორგანიზმების მისაღებად მათ გენოფონდში სხვადასხვა გენების შეყვანით და ინტეგრირებით. ეს აღმოჩენა შეიძლება მთელი კაცობრიობის სასარგებლოდ იყოს მიმართული.

1952 წელს ჯი უაიტმა და ს. კოენმა აღმოაჩინეს, რომ T-ლუწი ფაგების დნმ შეიცავს უჩვეულო ბაზას - 5-ჰიდროქსიმეთილციტოზინს. მოგვიანებით, ე.ვოლკინისა და რ. სინშაიმერის (1954) და კოენის (1956) ნაშრომებიდან ცნობილი გახდა, რომ ჰიდროქსიმეთილციტოზინის ნარჩენები შეიძლება მთლიანად ან ნაწილობრივ გლუკოზირებული იყოს, რის შედეგადაც ფაგის დნმ-ის მოლეკულა დაცულია ჰიდროლიზური მოქმედებისგან. ნუკლეაზების.

1950-იანი წლების დასაწყისში, დ.დანისა და ჯ. სმიტის (ინგლისი), ს. ზამენჰოფის (აშშ) და ა. ვაკერის (გერმანია) ნამუშევრებიდან ცნობილი გახდა, რომ მრავალი ხელოვნური ბაზის ანალოგი შეიძლება შევიდეს დნმ-ში, რომელიც ზოგჯერ ანაცვლებს. 50%-მდე თიმინი. როგორც წესი, ეს ჩანაცვლება იწვევს შეცდომებს დნმ-ის რეპლიკაციაში, ტრანსკრიფციასა და ტრანსლაციაში და მუტანტების გამოჩენამდე. ამრიგად, J. Marmur (1962) აღმოაჩინა, რომ ზოგიერთი ფაგის დნმ შეიცავს ოქსიმეთილურაცილს თიმინის ნაცვლად. 1963 წელს ი.ტაკაჰაშიმ და ჯ.მარმურმა აღმოაჩინეს, რომ ერთ-ერთი ფაგის დნმ შეიცავს ურაცილს თიმინის ნაცვლად. ამგვარად, ჩამოინგრა კიდევ ერთი პრინციპი, რომლის მიხედვითაც მანამდე ნუკლეინის მჟავები იყოფა. პ.ლევინის მოღვაწეობის დროიდან ითვლებოდა, რომ თიმინი არის დნმ-ის ნიშანი, ხოლო ურაცილი არის რნმ-ის ნიშანი. გაირკვა, რომ ეს ნიშანი ყოველთვის არ არის საიმედო და ფუნდამენტური განსხვავება ორი ტიპის ნუკლეინის მჟავების ქიმიურ ბუნებაში, როგორც დღეს ჩანს, მხოლოდ ნახშირწყლების კომპონენტის ბუნებაა.

ფაგების შესწავლისას გამოვლინდა ნუკლეინის მჟავების ორგანიზაციის მრავალი უჩვეულო თვისება. 1953 წლიდან ითვლებოდა, რომ ყველა დნმ არის ორჯაჭვიანი წრფივი მოლეკულები, ხოლო რნმ მხოლოდ ერთჯაჭვიანია. ეს პოზიცია მნიშვნელოვნად შეირყა 1961 წელს, როდესაც რ. სინშაიმერმა აღმოაჩინა, რომ φ X 174 ფაგის დნმ წარმოდგენილია ერთჯაჭვიანი წრიული მოლეკულით. თუმცა, მოგვიანებით გაირკვა, რომ ამ ფორმით ეს დნმ არსებობს მხოლოდ ვეგეტატიურ ფაგის ნაწილაკში და ამ ფაგის დნმ-ის რეპლიკაციური ფორმაც ორჯაჭვიანია. გარდა ამისა, საკმაოდ მოულოდნელი აღმოჩნდა, რომ ზოგიერთი ვირუსის რნმ შეიძლება ორჯაჭვიანი იყოს. რნმ-ის მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის ეს ახალი ტიპი აღმოაჩინეს 1962 წელს პ. გომატოსმა, ი. ტამმა და სხვა მკვლევარებმა ზოგიერთ ცხოველურ ვირუსში და მცენარეთა ჭრილობის სიმსივნურ ვირუსში. ცოტა ხნის წინ, V. I. Agol და A. A. Bogdanov (1970) დაადგინეს, რომ ხაზოვანი რნმ-ის მოლეკულების გარდა, არსებობს ასევე დახურული ან ციკლური მოლეკულები. მათ აღმოაჩინეს ციკლური ორჯაჭვიანი რნმ, კერძოდ, ენცეფალომიელოკარდიტის ვირუსში. X. Deveaux, L. Tinoko, T. I. Tikhonenko, E. I. Budovsky და სხვების (1960 - 1974) ნაშრომების წყალობით ცნობილი გახდა ბაქტერიოფაგებში გენეტიკური მასალის ორგანიზაციის (დაყრის) ძირითადი მახასიათებლები.

1950-იანი წლების ბოლოს ამერიკელმა მეცნიერმა პ.დოტიმ აღმოაჩინა, რომ გათბობა იწვევს დნმ-ის დენატურაციას, რასაც თან ახლავს წყალბადის ბმების გაწყვეტა ბაზის წყვილებს შორის და დამატებითი ჯაჭვების გამოყოფა. ამ პროცესს აქვს „სპირალ-კოჭის“ ფაზური გადასვლის ხასიათი და წააგავს კრისტალების დნობას. ამიტომ დოტიმ დნმ-ის დნმ-ის თერმული დენატურაციის პროცესს დნობა უწოდა. ნელი გაგრილებით, ხდება მოლეკულების რენატურაცია, ანუ დამატებითი ნახევრების გაერთიანება.

რენატურაციის პრინციპი 1960 წელს გამოიყენეს J. Marmur-მა და K. Schildkraut-მა სხვადასხვა მიკროორგანიზმების დნმ-ის „ჰიბრიდიზაციის“ ხარისხის დასადგენად. შემდგომში, ე. ბოლტონმა და ბ. მაკარტიმ გააუმჯობესეს ეს ტექნიკა ეგრეთ წოდებული დნმ-აგარის სვეტების მეთოდის შეთავაზებით. ეს მეთოდი შეუცვლელი აღმოჩნდა სხვადასხვა დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ჰომოლოგიის ხარისხის შესასწავლად და სხვადასხვა ორგანიზმების გენეტიკური ურთიერთობის გასარკვევად. დოტის მიერ აღმოჩენილი დნმ-ის დენატურაცია მეთილირებულ ალბუმინზე ქრომატოგრაფიასთან ერთად, რომელიც აღწერილია J. Mandel and A. Hershey * (1960) და ცენტრიფუგაცია სიმკვრივის გრადიენტში (მეთოდი შემუშავებულია 1957 წელს M. Meselson, F. Stahl და D. Winograd) ფართოდ გამოიყენება ცალკეული დამატებითი დნმ-ის ჯაჭვების გამოყოფისთვის, იზოლაციისთვის და ანალიზისთვის. მაგალითად, W. Shibalsky (აშშ), ამ ტექნიკის გამოყენებით ლამბდა ფაგის დნმ-ის გამოყოფისთვის, აჩვენა 1967 - 1969 წლებში, რომ ორივე ფაგის ჯაჭვი არის გენეტიკურად აქტიური და არა ერთი, როგორც ეს ითვლებოდა (S. Spiegelman, 1961). უნდა აღინიშნოს, რომ პირველად ლამბდა ფაგის დნმ-ის ორივე ჯაჭვის გენეტიკური მნიშვნელობის იდეა სსრკ-ში გამოთქვა SE Bresler-მა (1961).

* (ბაქტერიებისა და ვირუსების გენეტიკაზე მუშაობისთვის ა.ჰერშიმ მ.დელბრიუკთან და ს.ლურიასთან ერთად 1969 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.)

გენომის ორგანიზაციისა და ფუნქციონალური აქტივობის გასაგებად, დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრას უდიდესი მნიშვნელობა აქვს. ამგვარი განსაზღვრის მეთოდების ძიება მსოფლიოს მრავალ ლაბორატორიაში მიმდინარეობს. 1950-იანი წლების ბოლოდან M. Beer და მისი თანამშრომლები ცდილობდნენ დაედგინათ დნმ-ის თანმიმდევრობა ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით აშშ-ში, მაგრამ ჯერჯერობით უშედეგოდ. 1950-იანი წლების დასაწყისში, სინშაიმერის, ჩარგაფის და სხვა მკვლევარების პირველი ნაშრომებიდან დნმ-ის ფერმენტული დეგრადაციის შესახებ, ცნობილი გახდა, რომ დნმ-ის მოლეკულაში სხვადასხვა ნუკლეოტიდები ნაწილდება, თუმცა არა შემთხვევით, მაგრამ არათანაბრად. ინგლისელი ქიმიკოსის C. Barton-ის (1961) აზრით, პირიმიდინები (70%-ზე მეტი) კონცენტრირებულია ძირითადად შესაბამისი ბლოკების სახით. A. L. Mazin და B. F. Vanyushin (1968 - 1969) აღმოაჩინეს, რომ სხვადასხვა დნმ-ს აქვს პირიმიდინის შეერთების განსხვავებული ხარისხი და რომ ცხოველური ორგანიზმების დნმ-ში ის საგრძნობლად იზრდება, როდესაც ის ქვედადან მაღლა მოძრაობს. ამრიგად, ორგანიზმების ევოლუცია აისახება მათი გენომის სტრუქტურაშიც. სწორედ ამიტომ, ევოლუციური პროცესის მთლიანობაში გასაგებად, განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის შედარებით შესწავლას. ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი პოლიმერების და, პირველ რიგში, დნმ-ის სტრუქტურის ანალიზი ძალზე მნიშვნელოვანია ფილოგენეტიკისა და ტაქსონომიის მრავალი კონკრეტული პრობლემის გადასაჭრელად.

საინტერესოა აღინიშნოს, რომ ინგლისელი ფიზიოლოგი ე. ლანკესტერი, რომელიც სწავლობდა მოლუსკების ჰემოგლობინს, მოლეკულური ბიოლოგიის იდეებს მოელოდა ზუსტად 100 წლის წინ და წერდა: „ქიმიური განსხვავებები ცხოველთა და მცენარეთა სხვადასხვა სახეობასა და გვარს შორის ისეთივე მნიშვნელოვანია გასარკვევად. მათი წარმოშობის ისტორია, როგორც მათი ფორმა. თუ ჩვენ შეგვეძლო მკაფიოდ დავადგინოთ განსხვავებები ორგანიზმების მოლეკულურ ორგანიზაციასა და ფუნქციონირებაში, ჩვენ შევძლებდით სხვადასხვა ორგანიზმების წარმოშობისა და ევოლუციის გაგებას ბევრად უკეთ, ვიდრე მორფოლოგიური დაკვირვების საფუძველზე. ბიოქიმიური კვლევების მნიშვნელობა ტაქსონომიისთვის ასევე ხაზგასმით აღნიშნა VL კომაროვმა, რომელიც წერდა, რომ "ყველა წმინდა მორფოლოგიური მახასიათებლის საფუძველი, რომლის საფუძველზეც ჩვენ ვახარისხებთ და ვადგენთ სახეობებს, არის ზუსტად ბიოქიმიური განსხვავებები" ** .

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

** (V. L. კომაროვი. რჩეული თხზულებანი, ტ.1. მ.-ლ., სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის გამომცემლობა, 1945 წ., გვ.331.)

A.V. Blagoveshchenskii-მ და S.L.Ivanov-მა ჯერ კიდევ 1920-იან წლებში გადადგნენ ჩვენს ქვეყანაში პირველი ნაბიჯები ორგანიზმების ევოლუციისა და სისტემატიკის გარკვეული საკითხების გასარკვევად მათი ბიოქიმიური შემადგენლობის შედარებითი ანალიზის საფუძველზე (იხ. თავი 2). ცილებისა და ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურის შედარებითი ანალიზი ახლა სულ უფრო ხელშესახები იარაღი ხდება ტაქსონომისტებისთვის (იხ. თავი 21). მოლეკულური ბიოლოგიის ეს მეთოდი საშუალებას იძლევა არა მხოლოდ ცალკეული სახეობების პოზიციის გარკვევა სისტემაში, არამედ აუცილებელს ხდის ორგანიზმების კლასიფიკაციის პრინციპების ახლებურად გადახედვას და ზოგჯერ მთლიანად სისტემის გადახედვას. მოხდა, მაგალითად, მიკროორგანიზმების სისტემატიკასთან. უდავოა, რომ მომავალში გენომის სტრუქტურის ანალიზი ცენტრალურ ადგილს დაიკავებს ორგანიზმების ქიმიოსისტემატიკაში.

მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარებისთვის დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა დნმ-ის რეპლიკაციისა და ტრანსკრიპციის მექანიზმების გაშიფვრას (იხ. თავი 24).

ცილის ბიოსინთეზი

ცილების ბიოსინთეზის პრობლემის გადაჭრის მნიშვნელოვანი ცვლილება დაკავშირებულია ნუკლეინის მჟავების შესწავლის მიღწევებთან. 1941 წელს ტ.კასპერსონმა (შვედეთი) და 1942 წელს ჯ. ბრაშეტმა (ბელგია) გაამახვილეს ყურადღება იმ ფაქტზე, რომ აქტიური ცილის სინთეზის მქონე ქსოვილები შეიცავს რნმ-ს გაზრდილ რაოდენობას. მათ დაასკვნეს, რომ რიბონუკლეინის მჟავები გადამწყვეტ როლს თამაშობენ ცილების სინთეზში. 1953 წელს ე.გაილმა და დ.ფოქსმა, როგორც ჩანს, მიიღეს პირდაპირი მტკიცებულება რნმ-ის უშუალო მონაწილეობის შესახებ ცილების ბიოსინთეზში: მათი მონაცემებით, რიბონუკლეაზა მნიშვნელოვნად თრგუნავს ამინომჟავების შეერთებას ბაქტერიული უჯრედების ლიზატებში. მსგავსი მონაცემები მიიღეს V. Olfri, M. Delhi და A. Mirsky (1953) ღვიძლის ჰომოგენატებზე. მოგვიანებით, ე. გეილმა უარყო სწორი აზრი, რომელიც მან გამოთქვა ცილების სინთეზში რნმ-ის წამყვანი როლის შესახებ, შეცდომით მიიჩნია, რომ ცილის სინთეზის გააქტიურება უჯრედულ სისტემაში მოხდა სხვა უცნობი ბუნების ნივთიერების გავლენის ქვეშ. 1954 წელს P. Zamechnik-მა, D. Littlefield-მა, R.B. Khesin-Lurie-მ და სხვებმა დაადგინეს, რომ ამინომჟავების ყველაზე აქტიური ინკორპორაცია ხდება უჯრედული ნაწილაკების რნმ-ით მდიდარ ფრაქციებში - მიკროზომებში. პ.ზამეჩნიკმა და ე. კელერმა (1953 - 1954) აღმოაჩინეს, რომ ამინომჟავების ინკორპორაცია შესამჩნევად გაძლიერდა სუპერნატანტის თანდასწრებით ATP რეგენერაციის პირობებში. P. Sikevitz (1952) და M. Hoagland (1956) იზოლირებულია ცილოვანი ფრაქცია (pH 5 ფრაქცია) სუპერნატანტიდან, რომელიც პასუხისმგებელია მიკროსომებში ამინომჟავების ჩართვის მკვეთრ სტიმულაციაზე. ცილებთან ერთად, ზენატანში აღმოჩნდა დაბალმოლეკულური წონის რნმ-ების სპეციალური კლასი, რომელსაც ახლა გადაცემის რნმ (tRNAs) უწოდებენ. 1958 წელს ჰოგლანდმა და ზამეჩნიკმა, ისევე როგორც პ.ბერგმა, რ. სვიტმა და ფ. ალენმა და ბევრმა სხვა მკვლევარმა დაადგინეს, რომ თითოეული ამინომჟავა საჭიროებს თავის სპეციალურ ფერმენტს, ATP-ს და სპეციფიკურ tRNA-ს გააქტიურებისთვის. გაირკვა, რომ tRNA-ები ასრულებენ ექსკლუზიურად ადაპტერების ფუნქციას, ანუ მოწყობილობები, რომლებიც პოულობენ ადგილს ნუკლეინის მატრიცაზე (mRNA) წარმოქმნილი ცილის მოლეკულაში შესაბამისი ამინომჟავისთვის. ამ კვლევებმა სრულად დაადასტურა F. Crick-ის (1957) ადაპტერის ჰიპოთეზა, რომელიც ითვალისწინებდა უჯრედში პოლინუკლეოტიდური ადაპტერების არსებობას, რომლებიც აუცილებელია სინთეზირებული ცილის ამინომჟავების ნარჩენების სწორი განლაგებისთვის ნუკლეინის მატრიცაზე. მოგვიანებით, ფრანგმა მეცნიერმა ფ. ჩაპვილმა (1962) აშშ-ში ფ. ლიპმანის (ნობელის პრემია, 1953) ლაბორატორიაში ძალიან ეშმაკურად და ცალსახად აჩვენა, რომ ამინომჟავის მდებარეობა სინთეზირებულ ცილის მოლეკულაში მთლიანად განისაზღვრება სპეციფიკური tRNA, რომელსაც იგი ერთვის. კრიკის ადაპტერის ჰიპოთეზა შეიმუშავეს ჰოგლანდმა და ზამეჩნიკმა.

1958 წლისთვის ცნობილი გახდა ცილის სინთეზის შემდეგი ძირითადი ეტაპები: 1) ამინომჟავის გააქტიურება სპეციფიური ფერმენტის მიერ „pH 5 ფრაქციიდან“ ATP-ის თანდასწრებით ამინოაცილ ადენილატის წარმოქმნით; 2) გააქტიურებული ამინომჟავის მიმაგრება სპეციფიკურ tRNA-ზე ადენოზინმონოფოსფატის (AMP) გამოყოფით; 3) ამინოაცილ-ტრნმ-ის (ამინომჟავით დატვირთული რნმ) მიკროსომებთან დაკავშირება და ამინომჟავების შეყვანა ცილაში tRNA გათავისუფლებით. ჰოგლანდი (1958) აღნიშნა, რომ გუანოზინის ტრიფოსფატი (GTP) საჭიროა ცილის სინთეზის ბოლო ეტაპზე.

გადაცემის რნმ და გენის სინთეზი

tRNA-ების აღმოჩენის შემდეგ დაიწყო მათი ფრაქციების აქტიური ძიება და ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრა. უდიდეს წარმატებას მიაღწია ამერიკელმა ბიოქიმიკოსმა რ.ჰოლიმ. 1965 წელს მან დაადგინა საფუარის ალანინის tRNA სტრუქტურა. რიბონუკლეაზების (გუანილ RNase და პანკრეასის RNase) გამოყენებით, ჰოლიმ დაყო ნუკლეინის მჟავის მოლეკულა რამდენიმე ფრაგმენტად, დაადგინა ნუკლეოტიდის თანმიმდევრობა თითოეულ მათგანში ცალკე და შემდეგ აღადგინა მთელი ალანინის tRNA მოლეკულის თანმიმდევრობა. ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ანალიზის ამ ხერხს ბლოკის მეთოდს უწოდებენ. ჰოლის დამსახურება ძირითადად იმაში მდგომარეობდა, რომ მან ისწავლა რნმ-ის მოლეკულის დაყოფა არა მხოლოდ წვრილ ნაწილებად, როგორც ამას ბევრი აკეთებდა მანამდე, არამედ დიდ ფრაგმენტებად (კვარტლებად და ნახევრად). ამან მას საშუალება მისცა, სათანადოდ შეეკრიბა ცალკეული პატარა ნაწილები და ამით ხელახლა შეექმნა მთელი tRNA მოლეკულის სრული ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა (ნობელის პრემია, 1968).

ეს ტექნიკა მაშინვე იქნა მიღებული მსოფლიოს მრავალმა ლაბორატორიამ. მომდევნო ორი წლის განმავლობაში, რამდენიმე tRNA-ის პირველადი სტრუქტურა გაშიფრული იქნა სსრკ-ში და მის ფარგლებს გარეთ. A.A. Baev (1967) და თანამშრომლებმა პირველად დაადგინეს ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა საფუარის ვალინის tRNA-ში. დღეისათვის შესწავლილია ათზე მეტი განსხვავებული ინდივიდუალური tRNA. თავისებური რეკორდი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრაში დაამყარეს კემბრიჯში F. Senger-მა და G. Brownlee-მ. ამ მკვლევარებმა შეიმუშავეს საოცრად ელეგანტური მეთოდი ოლიგონუკლეოტიდების გამოყოფისა და ე.წ. ეს რნმ შედგება 120 ნუკლეოტიდის ნარჩენებისგან და, tRNA-სგან განსხვავებით, არ შეიცავს დამატებით მცირე ფუძეებს, რაც მნიშვნელოვნად უწყობს ხელს ნუკლეოტიდის თანმიმდევრობის ანალიზს და ემსახურება როგორც უნიკალურ ღირშესანიშნაობებს მოლეკულის ცალკეული ფრაგმენტებისთვის. ამჟამად, სანჯერისა და ბრაუნლის მეთოდის გამოყენების წყალობით, ჯ. ებელის (საფრანგეთი) და სხვა მკვლევარების ლაბორატორიაში წარმატებით მიმდინარეობს მუშაობა გრძელი რიბოსომური რნმ-ების და ზოგიერთი ვირუსული რნმ-ის თანმიმდევრობის შესწავლაზე.

ა.ა.ბაევმა და კოლეგებმა (1967) აღმოაჩინეს, რომ ვალინი თრნმ ნახევრად გაჭრილი აღადგენს მის მაკრომოლეკულურ სტრუქტურას ხსნარში და, მიუხედავად პირველადი სტრუქტურის დეფექტისა, აქვს ორიგინალური (მშობლიური) მოლეკულის ფუნქციური აქტივობა. ეს მიდგომა - მოჭრილი მაკრომოლეკულის რეკონსტრუქცია გარკვეული ფრაგმენტების ამოღების შემდეგ - ძალიან პერსპექტიული აღმოჩნდა. ის ახლა ფართოდ გამოიყენება გარკვეული tRNA-ების ცალკეული მონაკვეთების ფუნქციური როლის გასარკვევად.

ბოლო წლებში დიდი წარმატება იქნა მიღწეული ცალკეული tRNA-ების კრისტალური პრეპარატების მიღებაში. ბევრი tRNA უკვე კრისტალიზებულია აშშ-სა და ინგლისში რამდენიმე ლაბორატორიაში. ამან შესაძლებელი გახადა რნმ-ის სტრუქტურის შესწავლა რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენებით. 1970 წელს რ. ბოკმა წარმოადგინა პირველი რენტგენის შაბლონები და რამდენიმე tRNA-ის სამგანზომილებიანი მოდელები, რომლებიც მან შექმნა ვისკონსინის უნივერსიტეტში. ეს მოდელები გვეხმარება tRNA-ში ცალკეული ფუნქციურად აქტიური ადგილების ლოკალიზაციის დადგენაში და ამ მოლეკულების ფუნქციონირების ძირითადი პრინციპების გაგებაში.

ცილის სინთეზის მექანიზმის გამოვლენისა და ამ პროცესის სპეციფიკის პრობლემის გადასაჭრელად უაღრესად მნიშვნელოვანი იყო გენეტიკური კოდის ბუნების გაშიფვრა (იხ. თავი 24), რაც, გადაჭარბების გარეშე, შეიძლება ჩაითვალოს მოწინავე მიღწევად. მე-20 საუკუნის საბუნებისმეტყველო მეცნიერებები.

რ. ჰოლის აღმოჩენამ თრნმ-ის პირველადი სტრუქტურის შესახებ ბიძგი მისცა გ.კორანას * (აშშ) მუშაობას ოლიგონუკლეოტიდების სინთეზზე და მიმართა მათ კონკრეტული ბიოლოგიური სტრუქტურის სინთეზისკენ - დნმ-ის მოლეკულის, რომელიც აკოდირებს ალანინის tRNA. ყურანის მიერ თითქმის 15 წლის წინ გაკეთებული მოკლე ოლიგონუკლეოტიდების ქიმიური სინთეზის პირველი ნაბიჯები დასრულდა 1970 წელს პირველი გენის სინთეზით. ყურანმა და მისმა თანამშრომლებმა პირველად ქიმიურად მოახდინეს 8-12 ნუკლეოტიდის ნარჩენების მოკლე ფრაგმენტები ცალკეული ნუკლეოტიდებიდან. ეს ფრაგმენტები მოცემული ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობით ქმნიდნენ სპონტანურად ორჯაჭვიან დამატებით ნაწილებს 4-5 ნუკლეოტიდის გადახურვით. შემდეგ ეს მზა ნაჭრები შეუერთდა თავიდან ბოლომდე სწორი თანმიმდევრობით ფერმენტ დნმ ლიგაზას გამოყენებით. ამრიგად, დნმ-ის მოლეკულების რეპლიკაციისგან განსხვავებით, ა.კორნბერგის ** (იხ. თავი 24), ყურანმა მოახერხა ბუნებრივი ორჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულის ხელახლა შექმნა წინასწარ დაგეგმილი პროგრამის შესაბამისად. ჰოლის მიერ აღწერილი tRNA თანმიმდევრობა. ანალოგიურად, ახლა მიმდინარეობს მუშაობა სხვა გენების სინთეზზე (M. N. Kolosov, Z. A. Shabarova, D. G. Knorre, 1970 - 1975).

* (გენეტიკური კოდის შესწავლისთვის გ.კორანს და მ.ნირენბერგს 1968 წელს მიენიჭათ ნობელის პრემია.)

** (პოლიმერაზასა და დნმ-ის სინთეზის აღმოჩენისთვის ა. კორნბერგი და რნმ-ის სინთეზისთვის ს. ოჩოამ 1959 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.)

მიკროზომები, რიბოსომები, თარგმანი

1950-იანი წლების შუა პერიოდში ითვლებოდა, რომ მიკროზომები უჯრედში ცილის სინთეზის ცენტრი იყო. ტერმინი მიკროზომები პირველად შემოიღო 1949 წელს ა. კლოდის მიერ მცირე გრანულების ფრაქციის აღსანიშნავად. მოგვიანებით გაირკვა, რომ ცილის სინთეზზე პასუხისმგებელია არა მიკროზომების მთელი ფრაქცია, რომელიც შედგება გარსებისა და გრანულებისგან, არამედ მხოლოდ მცირე რიბონუკლეოპროტეინის ნაწილაკებისგან. ამ ნაწილაკებს 1958 წელს რ.რობერტსმა რიბოსომები უწოდა.

ბაქტერიული რიბოზომების კლასიკური კვლევები ჩატარდა A.Tisier და J. Watson 1958-1959 წლებში. ბაქტერიული რიბოსომები უფრო მცირე ზომის აღმოჩნდა ვიდრე მცენარეები და ცხოველები. J. Littleton (1960), M. Clark (1964) და E. N. Svetailo (1966) აჩვენეს, რომ უმაღლესი მცენარეების და მიტოქონდრიების ქლოროპლასტების რიბოსომები მიეკუთვნება ბაქტერიულ ტიპს. ა. ტისიერმა და სხვებმა (1958) აღმოაჩინეს, რომ რიბოსომები იშლება ორ არათანაბარ ქვედანაყოფად, რომლებიც შეიცავს თითო რნმ-ის მოლეკულას. 50-იანი წლების ბოლოს ითვლებოდა, რომ თითოეული რიბოსომური რნმ-ის მოლეკულა შედგება რამდენიმე მოკლე ფრაგმენტისგან. თუმცა, AS Spirin 1960 წელს იყო პირველი, ვინც აჩვენა, რომ რნმ ქვენაწილაკებში წარმოდგენილია უწყვეტი მოლეკულით. დ. უოლერმა (1960), რომელმაც გამოყო რიბოსომული ცილები სახამებლის გელის ელექტროფორეზის გამოყენებით, აღმოაჩინა, რომ ისინი ძალიან ჰეტეროგენულია. თავიდან ბევრს ეჭვი ეპარებოდა უოლერის მონაცემებში, რადგან ჩანდა, რომ რიბოსომის ცილა მკაცრად ერთგვაროვანი უნდა ყოფილიყო, მაგალითად, TMV ცილა. დღეისათვის, დ.უოლერის, რ. ტრაუტის, პ. ტრაუბისა და სხვა ბიოქიმიკოსების კვლევის შედეგად, ცნობილი გახდა, რომ რეალური რიბოსომური ნაწილაკების შემადგენლობაში შედის 50-ზე მეტი ცილა, რომლებიც სტრუქტურით სრულიად განსხვავდებიან. AS სპირინი 1963 წელს იყო პირველი, ვინც გაშალა რიბოსომური ქვენაწილაკები და აჩვენა, რომ რიბოსომები არის კომპაქტურად დაგრეხილი რიბონუკლეოპროტეინის ჯაჭვი, რომელიც შეიძლება გაიშალოს გარკვეულ პირობებში. 1967 - 1968 წლებში M. Nomura-მ მთლიანად აღადგინა ბიოლოგიურად აქტიური ქვედანაყოფი რიბოსომური რნმ-ისა და ცილისგან და მიიღო რიბოსომებიც, რომლებშიც ცილა და რნმ სხვადასხვა მიკროორგანიზმებს მიეკუთვნებოდა.

რიბოსომური რნმ-ის როლი ჯერ კიდევ გაურკვეველია. ვარაუდობენ, რომ ეს არის ის უნიკალური სპეციფიკური მატრიცა, რომელზეც რიბოსომური ნაწილაკის ფორმირებისას, ყოველი მრავალრიცხოვანი რიბოსომური ცილა პოულობს მკაცრად განსაზღვრულ ადგილს (AS Spirin, 1968).

ა. რიჩმა (1962) აღმოაჩინა რამდენიმე რიბოზომის აგრეგატები, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული mRNA-ს ჯაჭვით. ამ კომპლექსებს ეწოდა პოლისომები. პოლისომების აღმოჩენამ რიჩს და უოტსონს (1963) მისცა ვარაუდი, რომ პოლიპეპტიდური ჯაჭვის სინთეზი ხდება რიბოსომაზე, რომელიც, როგორც იქნა, მოძრაობს mRNA ჯაჭვის გასწვრივ. როდესაც რიბოსომა მოძრაობს mRNA ჯაჭვის გასწვრივ, ინფორმაცია იკითხება ნაწილაკში და წარმოიქმნება ცილის პოლიპეპტიდური ჯაჭვი, ხოლო ახალი რიბოსომები მონაცვლეობით ემაგრება mRNA-ის გამოთავისუფლებულ წაკითხულ ბოლოს. რიჩისა და უოტსონის მონაცემებიდან მოჰყვა, რომ პოლისომების მნიშვნელობა უჯრედში მდგომარეობს ცილის მასობრივ წარმოებაში მატრიქსის თანმიმდევრული წაკითხვით ერთდროულად რამდენიმე რიბოსომის მიერ.

მ.ნირენბერგის, ს.ოჩოას, ფ.ლიპმანის, გ.კორანას და სხვათა კვლევის შედეგად 1963 - 1970 წწ. ცნობილი გახდა, რომ mRNA-სთან, რიბოზომებთან, ATP-თან და ამინოაცილ-tRNA-სთან ერთად, დიდი რაოდენობით სხვადასხვა ფაქტორი მონაწილეობს თარგმნის პროცესში და თავად თარგმანის პროცესი პირობითად შეიძლება დაიყოს სამ ეტაპად - დაწყება, თავად თარგმნა და შეწყვეტა.

თარგმანის დაწყება ნიშნავს პირველი პეპტიდური ბმის სინთეზს კომპლექსურ რიბოსომაში - შაბლონური პოლინუკლეოტიდი - ამინოაცილ-tRNA. ასეთი საწყისი აქტივობა აქვს არა რომელიმე ამინოაცილ-ტრნმ, არამედ ფორმილმეთიონილ-ტრნმ-ს. ეს ნივთიერება პირველად იზოლირებული იქნა 1964 წელს ფ.სენგერის და კ.მარკერის მიერ. S. Bretcher და K. Marker (1966) აჩვენეს, რომ ფორმილმეთიონილ-tRNA-ს საწყისი ფუნქცია განპირობებულია მისი გაზრდილი აფინურობით რიბოსომის პეპტიდილის ცენტრის მიმართ. ტრანსლაციის დასაწყებად ასევე უაღრესად მნიშვნელოვანია ზოგიერთი ცილის ინიცირების ფაქტორი, რომლებიც იზოლირებული იყო S. Ochoa, F. Gro და სხვა კვლევითი ცენტრების ლაბორატორიებში. რიბოსომაში პირველი პეპტიდური ბმის წარმოქმნის შემდეგ იწყება თავად ტრანსლაცია, ანუ ამინოაცილის ნარჩენის თანმიმდევრული დამატება პოლიპეპტიდის C-ბოლოში. მთარგმნელობითი პროცესის მრავალი დეტალი შეისწავლეს კ. მონრომ და ჯ. ბიშოპმა (ინგლისი), ი. რიხლიკმა და ფ. შრომმა (ჩეხოსლოვაკია), ფ. ლიპმანმა, მ. ბრეტჩერმა, ვ. გილბერტმა (აშშ) და სხვა მკვლევარებმა. 1968 წელს A.S. Spirin-მა შემოგვთავაზა ორიგინალური ჰიპოთეზა რიბოსომის მექანიზმის ასახსნელად. მამოძრავებელი მექანიზმი, რომელიც უზრუნველყოფს tRNA და mRNA-ს ყველა სივრცულ მოძრაობას ტრანსლაციის დროს, არის რიბოსომის ქვენაწილაკების პერიოდული გახსნა და დახურვა. თარგმანის დასრულება დაშიფრულია თავად წაკითხვადი მატრიცაში, რომელიც შეიცავს ტერმინაციის კოდონებს. როგორც ს.ბრენერმა (1965 - 1967 წწ.) აჩვენა, სამეული UAA, UAG და UGA ასეთი კოდონებია. M. Capecci (1967) ასევე გამოავლინა სპეციალური ცილის შეწყვეტის ფაქტორები. AS სპირინმა და LP გავრილოვამ აღწერეს ეგრეთ წოდებული "არაფერმენტული" ცილის სინთეზი რიბოსომებში (1972 - 1975) ცილოვანი ფაქტორების მონაწილეობის გარეშე. ეს აღმოჩენა მნიშვნელოვანია ცილების ბიოსინთეზის წარმოშობისა და ევოლუციის გასაგებად.

გენის და ცილის აქტივობის რეგულირება

ცილის სინთეზის სპეციფიკის პრობლემის შემდეგ, მოლეკულურ ბიოლოგიაში პირველ ადგილზე აღმოჩნდა ცილის სინთეზის რეგულირების, ანუ, იგივე, გენის აქტივობის რეგულირების პრობლემა.

უჯრედების ფუნქციური უთანასწორობა და მასთან დაკავშირებული გენების რეპრესია და გააქტიურება დიდი ხანია მიიპყრო გენეტიკოსების ყურადღებას, მაგრამ ბოლო დრომდე უცნობი რჩებოდა გენის აქტივობის კონტროლის რეალური მექანიზმი.

გენების მარეგულირებელი აქტივობის ახსნის პირველი მცდელობები დაკავშირებული იყო ჰისტონური ცილების შესწავლასთან. სტედმენის მეუღლეებიც კი * XX საუკუნის 40-იანი წლების დასაწყისში. ვარაუდობენ, რომ სწორედ ჰისტონებს შეუძლიათ ამ ფენომენში მთავარი როლის შესრულება. შემდგომში მათ მიიღეს პირველი მკაფიო მონაცემები ჰისტონის ცილების ქიმიურ ბუნებაში განსხვავებების შესახებ. დღეისათვის ყოველწლიურად იზრდება ამ ჰიპოთეზის სასარგებლოდ დამადასტურებელი ფაქტების რაოდენობა.

* (ე.სტედმანი, ე.სტედმანი. უჯრედის ბირთვების ძირითადი ცილები.- ფილოსოფ. ტრანს. როი. სოც. ლონდონი, 1951 წ. 235 565 - 595 წწ.)

ამავდროულად, მზარდი რაოდენობა გროვდება, რაც იმაზე მეტყველებს, რომ გენის აქტივობის რეგულირება გაცილებით რთული პროცესია, ვიდრე გენის მონაკვეთების მარტივი ურთიერთქმედება ჰისტონის ცილის მოლეკულებთან. 1960 - 1962 წლებში R.B. ხესინ-ლურიის ლაბორატორიაში დადგინდა, რომ ფაგის გენები იწყებენ წაკითხვას არაერთდროულად: T2 ფაგის გენები შეიძლება დაიყოს ადრეულ გენებად, რომელთა ფუნქციონირება მოხდა ბაქტერიული უჯრედის ინფექციის პირველ წუთებში. და გვიან, რომლებმაც დაიწყეს mRNA-ს სინთეზი ადრეული გენების მუშაობის დასრულების შემდეგ.

1961 წელს ფრანგმა ბიოქიმიკოსებმა F. Jacob-მა და J. Monod-მა შემოგვთავაზეს გენის აქტივობის რეგულირების სქემა, რომელმაც განსაკუთრებული როლი ითამაშა ზოგადად უჯრედის მარეგულირებელი მექანიზმების გაგებაში. იაკობისა და მონოდის სქემის მიხედვით, სტრუქტურული (ინფორმაციული) გენების გარდა, დნმ შეიცავს გენ-რეგულატორებს და გენი-ოპერატორებსაც. რეგულატორი გენი კოდირებს კონკრეტული ნივთიერების - რეპრესორის სინთეზს, რომელსაც შეუძლია მიმაგრდეს როგორც ინდუქტორთან, ასევე ოპერატორ გენთან. ოპერატორი გენი დაკავშირებულია სტრუქტურულ გენებთან, ხოლო მარეგულირებელი გენი მდებარეობს მათგან გარკვეულ მანძილზე. თუ გარემოში არ არის ინდუქტორი, მაგალითად, ლაქტოზა, მაშინ რეგულატორის გენის მიერ სინთეზირებული რეპრესორი უკავშირდება ოპერატორის გენს და ბლოკავს მას, თიშავს მთელი ოპერონის მუშაობას (სტრუქტურული გენების ბლოკი ოპერატორთან ერთად. რომელიც აკონტროლებს მათ). ამ პირობებში ფერმენტების ფორმირება არ ხდება. თუ გარემოში ჩნდება ინდუქტორი (ლაქტოზა), მაშინ რეგულატორის გენის პროდუქტი, რეპრესორი, უკავშირდება ლაქტოზას და შლის ბლოკს ოპერატორის გენიდან. ამ შემთხვევაში, ფერმენტის სინთეზის მაკოდირებელი სტრუქტურული გენის მუშაობა შესაძლებელი ხდება და ფერმენტი (ლაქტოზა) ჩნდება გარემოში.

ჯეიკობისა და მონოდის მიხედვით, ეს რეგულირების სქემა გამოიყენება ყველა ადაპტაციურ ფერმენტზე და შეიძლება მოხდეს როგორც რეპრესიის დროს, როდესაც ფერმენტის წარმოქმნა თრგუნავს რეაქციის პროდუქტის სიჭარბით, ასევე ინდუქციის დროს, როდესაც სუბსტრატის შეყვანა იწვევს. ფერმენტის სინთეზი. გენის აქტივობის რეგულირების კვლევისთვის, ჯეიკობს და მონოდს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1965 წელს.

თავდაპირველად, ეს სქემა ძალიან შორს იყო. თუმცა, მოგვიანებით გაირკვა, რომ გენების რეგულირება ამ პრინციპის მიხედვით ხდება არა მხოლოდ ბაქტერიებში, არამედ სხვა ორგანიზმებშიც.

1960 წლიდან მოლეკულურ ბიოლოგიაში გამორჩეული ადგილი ეკავა ევკარიოტულ ორგანიზმებში გენომის ორგანიზაციისა და ქრომატინის სტრუქტურის კვლევებს (J. Bonner, R. Britten, W. Olfrey, P. Walker, Yu. S. Chentsov. , ი. ბ. ზბარსკი და სხვები .) და ტრანსკრიფციის რეგულირება (ა. მირსკი, გ. პ. გეორგიევი, მ. ბერნსტიელი, დ. გოლი, რ. ცანევი, რ. ი. სალგანიკი). დიდი ხნის განმავლობაში, რეპრესორის ბუნება უცნობი და საკამათო რჩებოდა. 1968 წელს მ.პტაშნემ (აშშ) აჩვენა, რომ ცილა არის რეპრესორი. მან გამოყო იგი J. Watson-ის ლაბორატორიაში და აღმოაჩინა, რომ რეპრესორს მართლაც აქვს მიდრეკილება ინდუქტორთან (ლაქტოზასთან) და ამავე დროს „ამოიცნობს“ lac ოპერონის ოპერატორ გენს და კონკრეტულად უკავშირდება მას.

ბოლო 5-7 წლის განმავლობაში მიღებული იქნა მონაცემები გენის აქტივობის კიდევ ერთი საკონტროლო უჯრედის - პრომოტორის არსებობის შესახებ. აღმოჩნდა, რომ ოპერატორის გვერდის გვერდით, რომელსაც გენის რეგულატორზე სინთეზირებული პროდუქტი - რეპრესორის ცილოვანი ნივთიერებაა მიმაგრებული, არის სხვა ადგილი, რომელიც ასევე უნდა მიეკუთვნებოდეს გენის მარეგულირებელი სისტემის წევრებს. აქტივობა. ფერმენტ RNA პოლიმერაზას ცილის მოლეკულა მიმაგრებულია ამ ადგილზე. პრომოტორულ რეგიონში უნდა მოხდეს დნმ-ში უნიკალური ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ურთიერთგაცნობა და რნმ პოლიმერაზას ცილის სპეციფიკური კონფიგურაცია. პრომოტორთან მიმდებარე ოპერონის გენების მოცემული თანმიმდევრობით გენეტიკური ინფორმაციის წაკითხვის პროცესის განხორციელება დამოკიდებული იქნება ამოცნობის ეფექტურობაზე.

იაკობისა და მონოდის მიერ აღწერილი სქემის გარდა, უჯრედში არსებობს გენის რეგულირების სხვა მექანიზმები. ფ. იაკობმა და ს. ბრენერმა (1963) დაადგინეს, რომ ბაქტერიული დნმ-ის რეპლიკაციის რეგულირება გარკვეულწილად კონტროლდება უჯრედის მემბრანის მიერ. იაკობის (1954) ექსპერიმენტებმა სხვადასხვა პროფაგების ინდუქციაზე დამაჯერებლად აჩვენა, რომ ლიზოგენური ბაქტერიების უჯრედში სხვადასხვა მუტაგენური ფაქტორების გავლენის ქვეშ იწყება პროფაგის გენის შერჩევითი რეპლიკაცია და იბლოკება მასპინძლის გენომის რეპლიკაცია. 1970 წელს ფ.ბელმა განაცხადა, რომ დნმ-ის მცირე მოლეკულებს შეუძლიათ ბირთვიდან ციტოპლაზმაში გადავიდნენ და იქ გადაიწერონ.

ამრიგად, გენის აქტივობა შეიძლება დარეგულირდეს რეპლიკაციის, ტრანსკრიფციის და ტრანსლაციის დონეზე.

მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ფერმენტების არა მხოლოდ სინთეზის, არამედ მათი აქტივობის რეგულირების შესწავლაში. A. Novik და L. Szilard მიუთითებდნენ უჯრედში ფერმენტების აქტივობის რეგულირების ფენომენებზე ჯერ კიდევ 1950-იან წლებში. G. Umbarger (1956) აღმოაჩინა, რომ უჯრედში არის ძალიან რაციონალური გზა ფერმენტის აქტივობის დასათრგუნად რეაქციათა უკუკავშირის ჯაჭვის საბოლოო პროდუქტით. როგორც J. Monod, J. Change, F. Jacob, A. Purdy და სხვა მკვლევარები (1956 - 1960) დაადგინეს, ფერმენტის აქტივობის რეგულირება შეიძლება განხორციელდეს ალოსტერული პრინციპის მიხედვით. ფერმენტს ან მის ერთ-ერთ ქვედანაყოფს, გარდა სუბსტრატისადმი აფინურობისა, აქვს აფინურობა რეაქციის ჯაჭვის ერთ-ერთ პროდუქტთან. ასეთი სასიგნალო პროდუქტის გავლენით ფერმენტი ცვლის თავის კონფორმაციას ისე, რომ კარგავს აქტივობას. შედეგად, ფერმენტული რეაქციების მთელი ჯაჭვი თავიდანვე გამორთულია. დ. უიმანმა და რ. ვუდვორდმა (1952; ნობელის პრემიის ლაურეატი, 1965) აღნიშნეს ცილის კონფორმაციული ცვლილებების არსებითი როლი ფერმენტულ რეაქციებში და გარკვეული გაგებით, ალოსტერული ეფექტის არსებობა.

ცილების სტრუქტურა და ფუნქცია

თ.ოსბორნის, გ.ჰოფმაისტერის, ა.გურბერის, ფ.შულცის და მრავალი სხვა მოღვაწეობის შედეგად XIX საუკუნის ბოლოს. მრავალი ცხოველური და მცენარეული ცილა მიღებულია კრისტალური სახით. დაახლოებით ამავე დროს, გარკვეული ცილების მოლეკულური წონა განისაზღვრა სხვადასხვა ფიზიკური მეთოდების გამოყენებით. ასე რომ, 1891 წელს ა. საბანეევმა და ნ. ალექსანდროვმა განაცხადეს, რომ ოვალურბუმინის მოლეკულური წონა არის 14000; 1905 წელს ე. რეიდმა აღმოაჩინა, რომ ჰემოგლობინის მოლეკულური წონაა 48000. ცილების პოლიმერული სტრუქტურა აღმოაჩინეს 1871 წელს გ.გლასივეცმა და დ.გაბერმანმა. პროტეინებში ცალკეული ამინომჟავების ნარჩენების პეპტიდური კავშირის იდეა წამოაყენა T. Curtius-მა (1883). მუშაობა ამინომჟავების ქიმიურ კონდენსაციაზე (E. Schaal, 1871; G. Schiff, 1897; L. Balbiano and D. Traschiatti, 1900) და ჰეტეროპოლიპეპტიდების სინთეზზე (E. Fisher, 1902 - 1907, ნობელის პრემია), განაპირობა ცილების ქიმიური სტრუქტურის ძირითადი პრინციპების შემუშავება.

პირველი კრისტალური ფერმენტი (ურეაზა) 1926 წელს მიიღო ჯ.სამნერმა (ნობელის პრემია, 1946), ხოლო 1930 წელს ჯ. ნორტროპმა (ნობელის პრემია, 1946) მიიღო კრისტალური პეპსინი. ამ სამუშაოების შემდეგ გაირკვა, რომ ფერმენტები ცილოვანი ხასიათისაა. 1940 წელს M. Kunits-მა გამოყო კრისტალური RNase. 1958 წლისთვის უკვე ცნობილი იყო 100-ზე მეტი კრისტალური ფერმენტი და 500-ზე მეტი არაკრისტალური ფერმენტი. ცალკეული ცილების მაღალგანწმენდილი პრეპარატების მიღებამ ხელი შეუწყო მათი პირველადი სტრუქტურისა და მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის გაშიფვრას.

ზოგადად მოლეკულური ბიოლოგიის და კონკრეტულად ადამიანის გენეტიკის განვითარებისთვის დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა ლ. პაულინგის (1940) პათოლოგიური ჰემოგლობინის S-ის აღმოჩენას, რომელიც იზოლირებულია მძიმე მემკვიდრეობითი დაავადების მქონე ადამიანების ერითროციტებისგან, ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემიით. 1955 - 1957 წლებში W. Ingram-მა გამოიყენა F. Sanger-ის მიერ შემუშავებული „თითის ანაბეჭდის“ მეთოდი (ქაღალდზე ქრომატოგრაფიის დროს ცალკეული პეპტიდების მიერ წარმოქმნილი ლაქები) ჰემოგლობინის S-ის ჰიდროლიზის პროდუქტების ტუტეთი და ტრიპსინის გასაანალიზებლად. 1961 წელს ინგრამმა განაცხადა, რომ ჰემოგლობინი S განსხვავდება ნორმალური ჰემოგლობინისგან მხოლოდ ერთი ამინომჟავის ნარჩენის ბუნებით: ნორმალურ ჰემოგლობინში გლუტამინის მჟავის ნარჩენი ჯაჭვის მეშვიდე პოზიციაზეა, ხოლო ჰემოგლობინ S-ში ვალინის ნარჩენი. ამრიგად, პაულინგის ვარაუდი (1949), რომ ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემია მოლეკულური ხასიათის დაავადებაა, სრულად დადასტურდა. ჰემოგლობინის მაკრომოლეკულის თითოეულ ნახევარში მხოლოდ ერთი ამინომჟავის ნარჩენის მემკვიდრეობითი ცვლილება იწვევს იმ ფაქტს, რომ ჰემოგლობინი კარგავს თავის უნარს ადვილად დაითხოვოს ჟანგბადის დაბალი კონცენტრაციით და იწყებს კრისტალიზაციას, რაც იწვევს უჯრედის სტრუქტურის დარღვევას. ამ კვლევებმა ნათლად აჩვენა, რომ ცილის სტრუქტურა არის მკაცრად განსაზღვრული ამინომჟავების თანმიმდევრობა, რომელიც კოდირებულია გენომში. კ. ანფინსენის (1951) ნაშრომებმა მოწმობს ცილის პირველადი სტრუქტურის განსაკუთრებულ მნიშვნელობას მაკრომოლეკულის უნიკალური ბიოლოგიურად აქტიური კონფორმაციის ფორმირებაში. ანფინსენმა აჩვენა, რომ პანკრეასის რიბონუკლეაზას ბიოლოგიურად აქტიური მაკროსტრუქტურა, რომელიც იკარგება აღდგენის შედეგად, წინასწარ არის განსაზღვრული ამინომჟავების თანმიმდევრობით და შეიძლება სპონტანურად გამოჩნდეს ცისტეინის ნარჩენების SH ჯგუფების დაჟანგვის დროს დისულფიდური ჯვარედინი ბმულების წარმოქმნით. ფერმენტის პეპტიდური ჯაჭვის განსაზღვრული ადგილები.

დღეისათვის დიდი რაოდენობით ფერმენტების მოქმედების მექანიზმი დეტალურად არის შესწავლილი და მრავალი ცილის აგებულებაა განსაზღვრული.

1953 წელს ფ.სანგერმა დაადგინა ინსულინის ამინომჟავების თანმიმდევრობა. : ეს ცილა შედგება ორი პოლიპეპტიდური ჯაჭვისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ორი დისულფიდური ჯვარედინი ბმულით. ერთი ჯაჭვი შეიცავს მხოლოდ 21 ამინომჟავის ნარჩენს, ხოლო მეორე შეიცავს 30 ნარჩენს. სენგერმა დაახლოებით 10 წელი დახარჯა ამ შედარებით მარტივი ცილის სტრუქტურის გაშიფვრაში. 1958 წელს მას მიენიჭა ნობელის პრემია ამ გამორჩეული კვლევისთვის. V. Stein და S. Moore (1957) მიერ ამინომჟავების ავტომატური ანალიზატორის შექმნის შემდეგ, ცილების ნაწილობრივი ჰიდროლიზის პროდუქტების იდენტიფიკაცია მნიშვნელოვნად დაჩქარდა. 1960 წელს სტეინმა და მურმა უკვე განაცხადეს ამის შესახებ. რომ მათ შეძლეს რიბონუკლეაზას თანმიმდევრობის დადგენა, რომლის პეპტიდური ჯაჭვი წარმოდგენილია 124 ამინომჟავის ნარჩენებით. იმავე წელს ტუბინგენში (გერმანია) გ.შრამის ლაბორატორიაში ფ.ანდერერმა და სხვებმა დაადგინეს ამინომჟავების თანმიმდევრობა TMV ცილაში. შემდეგ განისაზღვრა ამინომჟავების თანმიმდევრობა მიოგლობინში (A. Edmunson) და ადამიანის ჰემოგლობინის α- და β-ჯაჭვებში (G. Braunitzer, E. Schroeder და სხვ.), ლიზოზიმში კვერცხის ცილიდან (J. Jollet, D. Keyfield) . 1963 წელს ფ. შრომმა და ბ. კეილმა (ჩეხოსლოვაკია) დაადგინეს ამინომჟავების თანმიმდევრობა ქიმოტრიფსინოგენის მოლეკულაში. იმავე წელს განისაზღვრა ტრიფსინოგენის ამინომჟავების თანმიმდევრობა (ფ. შორმი, დ. უოლში). 1965 წელს კ.ტაკაჰაშიმ დაადგინა რიბონუკლეაზა T1-ის პირველადი სტრუქტურა. შემდეგ ამინომჟავების თანმიმდევრობა განისაზღვრა კიდევ რამდენიმე ცილისთვის.

როგორც ცნობილია, კონკრეტული სტრუქტურის განმარტების სისწორის საბოლოო დასტური მისი სინთეზია. 1969 წელს R. Merifield (აშშ) იყო პირველი, ვინც განახორციელა პანკრეასის რიბონუკლეაზას ქიმიური სინთეზი. სინთეზის მეთოდის გამოყენებით, რომელიც მან შექმნა მყარი ფაზის მატარებელზე, მერიფილდმა ერთი მეორის მიყოლებით დაამატა ამინომჟავა ჯაჭვს იმ თანმიმდევრობის შესაბამისად, რომელიც აღწერილი იყო სტეინისა და მურის მიერ. შედეგად მან მიიღო ცილა, რომელიც თავისი თვისებებით იდენტური იყო პანკრეასის რიბონუკლეაზას A. რიბონუკლეაზას სტრუქტურის აღმოჩენისთვის ვ.შტეინს, ს.მურს და კ.ანფინსენს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1972 წელს. ეს ბუნებრივი ცილის სინთეზი ხსნის უზარმაზარ პერსპექტივებს, რაც მიუთითებს ნებისმიერი ცილის შექმნის შესაძლებლობაზე წინასწარ დაგეგმილი თანმიმდევრობის შესაბამისად.

W. Astbury-ის (1933) რენტგენოლოგიური გამოკვლევებიდან მოჰყვა, რომ ცილის მოლეკულების პეპტიდური ჯაჭვები გრეხილი ან დაწყობილია გარკვეული მკაცრად განსაზღვრული გზით. იმ დროიდან მოყოლებული, ბევრმა ავტორმა გამოთქვა სხვადასხვა ჰიპოთეზა ცილოვანი ჯაჭვების დაკეცვის გზების შესახებ, მაგრამ 1951 წლამდე ყველა მოდელი დარჩა სპეკულაციური კონსტრუქციები, რომლებიც არ შეესაბამებოდა ექსპერიმენტულ მონაცემებს. 1951 წელს ლ. პაულინგმა და რ. კორიმ გამოაქვეყნეს ბრწყინვალე ნაშრომების სერია, რომელშიც საბოლოოდ ჩამოყალიბდა ცილების მეორადი სტრუქტურის თეორია, α-სპირალის თეორია. ამასთან, ცნობილი გახდა, რომ ცილებს ასევე აქვთ მესამეული სტრუქტურა: პეპტიდური ჯაჭვის α-სპირალი შეიძლება დაკეცოს გარკვეული გზით, რაც საკმაოდ კომპაქტურ სტრუქტურას ქმნის.

1957 წელს ჯ. კენდრიუმ და მისმა თანამშრომლებმა პირველად შემოგვთავაზეს მიოგლობინის სტრუქტურის სამგანზომილებიანი მოდელი. შემდეგ ეს მოდელი დაიხვეწა რამდენიმე წლის განმავლობაში, სანამ საბოლოო ნამუშევარი არ გამოჩნდა 1961 წელს ამ ცილის სივრცითი სტრუქტურის დახასიათებით. 1959 წელს მ.პერუცმა და კოლეგებმა დაადგინეს ჰემოგლობინის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა. მკვლევარებმა ამ სამუშაოზე 20 წელზე მეტი დახარჯეს (ჰემოგლობინის პირველი რენტგენი მიიღო პერუცმა 1937 წელს). ვინაიდან ჰემოგლობინის მოლეკულა შედგება ოთხი ქვეერთეულისგან, რომელმაც გაშიფრა მისი ორგანიზაცია, ამით პერუცმა პირველად აღწერა ცილის მეოთხეული სტრუქტურა. ცილების სამგანზომილებიანი სტრუქტურის განსაზღვრაზე მუშაობისთვის კენდრიუს და პერუცს მიენიჭათ ნობელის პრემია 1962 წელს.

პერუცის მიერ ჰემოგლობინის სტრუქტურის სივრცითი მოდელის შექმნა ნებადართულია. რომ უფრო ახლოს გავიგოთ ამ ცილის ფუნქციონირების მექანიზმი, რომელიც, როგორც ცნობილია, ახორციელებს ჟანგბადის ტრანსპორტირებას ცხოველურ უჯრედებში. ჯერ კიდევ 1937 წელს F. Gaurowitz მივიდა დასკვნამდე, რომ ჰემოგლობინის ურთიერთქმედება ჟანგბადთან, ჰაერთან უნდა ახლდეს ცილის სტრუქტურის ცვლილება. 1960-იან წლებში პერუცმა და თანამშრომლებმა აღმოაჩინეს შესამჩნევი ცვლილება ჰემოგლობინის ჯაჭვებში მისი დაჟანგვის შემდეგ, რაც გამოწვეული იყო რკინის ატომების გადანაცვლებით ჟანგბადთან შეკავშირების შედეგად. ამის საფუძველზე ჩამოყალიბდა იდეები ცილის მაკრომოლეკულების „სუნთქვის“ შესახებ.

1960 წელს დ. ფილიპსმა და მისმა თანამშრომლებმა დაიწყეს ლიზოზიმის მოლეკულის რენტგენის დიფრაქციული კვლევები. 1967 წლისთვის მათ მეტ-ნაკლებად შეძლეს დაედგინათ ამ ცილის ორგანიზების დეტალები და მის მოლეკულაში ცალკეული ატომების ლოკალიზაცია. გარდა ამისა, ფილიპსმა გაარკვია სუბსტრატში ლიზოზიმის დამატების ბუნება (ტრიაცეტილგლუკოზამინი). ამან შესაძლებელი გახადა ამ ფერმენტის მექანიზმის ხელახლა შექმნა. ამრიგად, პირველადი სტრუქტურისა და მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის ცოდნამ შესაძლებელი გახადა არა მხოლოდ მრავალი ფერმენტის აქტიური ცენტრების ბუნების დადგენა, არამედ ამ მაკრომოლეკულების ფუნქციონირების მექანიზმის სრულად გამოვლენა.

ელექტრონული მიკროსკოპის მეთოდების გამოყენებამ ხელი შეუწყო ისეთი რთული ცილის წარმონაქმნების მაკრომოლეკულური ორგანიზაციის პრინციპების გამოვლენას, როგორიცაა კოლაგენი, ფიბრინოგენი, შეკუმშვადი კუნთების ბოჭკოები და ა.შ. 1950-იანი წლების ბოლოს შემოთავაზებული იქნა კუნთოვანი კონტრაქტული აპარატის მოდელები. კუნთების შეკუმშვის მექანიზმის გასაგებად განსაკუთრებული მნიშვნელობა ჰქონდა V.A. Engelgardt-ისა და M.N. Lyubimova-ს (1939) მიერ მიოზინის ATPase აქტივობის აღმოჩენას. ეს ნიშნავს, რომ კუნთების შეკუმშვის აქტი ეფუძნება კონტრაქტული ცილის ფიზიკურ-ქიმიურ თვისებებსა და მაკრომოლეკულურ ორგანიზაციას ადენოზინტრიფოსფორის მჟავის გავლენის ქვეშ (იხ. აგრეთვე თავი 11).

ვირუსოლოგიური კვლევა არსებითი იყო ბიოლოგიური სტრუქტურების აწყობის პრინციპების გასაგებად (იხ. თავი 25).

გადაუჭრელი საკითხები

ძირითადი მიღწევები თანამედროვე მოლეკულურ ბიოლოგიაში მიღწეულია ძირითადად ნუკლეინის მჟავების შესწავლის შედეგად. თუმცა, ამ სფეროშიც კი ყველა პრობლემა მოგვარებულია. დიდი ძალისხმევა იქნება საჭირო, კერძოდ, გენომის მთელი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის გასაშიფრად. ეს პრობლემა, თავის მხრივ, განუყოფლად არის დაკავშირებული დნმ-ის ჰეტეროგენურობის პრობლემასთან და მოითხოვს ახალი მოწინავე მეთოდების შემუშავებას ცალკეული მოლეკულების ფრაქციებისა და უჯრედის მთლიანი გენეტიკური მასალისგან იზოლაციისთვის.

აქამდე ძალისხმევა ძირითადად ორიენტირებული იყო ცილების და ნუკლეინის მჟავების ცალკეულ შესწავლაზე. უჯრედში ეს ბიოპოლიმერები განუყოფლად არის დაკავშირებული ერთმანეთთან და ფუნქციონირებს ძირითადად ნუკლეოპროტეინების სახით. ამიტომ, ახლა განსაკუთრებით მწვავე გახდა ცილებისა და ნუკლეინის მჟავების ურთიერთქმედების შესწავლის აუცილებლობა. წინა პლანზე წამოწეულია ნუკლეინის მჟავების გარკვეული მონაკვეთების ცილებით ამოცნობის პრობლემა. უკვე გამოიკვეთა ნაბიჯები ამ ბიოპოლიმერების ასეთი ურთიერთქმედების შესასწავლად, რომლის გარეშეც წარმოუდგენელია ქრომოსომების, რიბოზომების და სხვა სტრუქტურების სტრუქტურისა და ფუნქციების სრული გაგება. ამის გარეშე ასევე შეუძლებელია გენის აქტივობის რეგულირების გაგება და საბოლოოდ ცილის სინთეზის მექანიზმების მუშაობის პრინციპების გაშიფვრა. იაკობისა და მონოდის მუშაობის შემდეგ გამოჩნდა ახალი მონაცემები მემბრანების მარეგულირებელი მნიშვნელობის შესახებ ბირთვული მასალის სინთეზში. ეს დნმ-ის რეპლიკაციის რეგულირებაში მემბრანების როლის უფრო ღრმა შესწავლის პრობლემას აყენებს. ზოგადად, გენის აქტივობის და ზოგადად უჯრედის აქტივობის რეგულირების პრობლემა თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიის ერთ-ერთ უმნიშვნელოვანეს პრობლემად იქცა.

ბიოფიზიკის ამჟამინდელი მდგომარეობა

მოლეკულური ბიოლოგიის პრობლემებთან მჭიდრო კავშირში მიმდინარეობდა ბიოფიზიკის განვითარება. ბიოლოგიის ამ სფეროსადმი ინტერესი გააქტიურდა, ერთის მხრივ, სხეულზე სხვადასხვა სახის გამოსხივების გავლენის ყოვლისმომცველი შესწავლის აუცილებლობით და, მეორე მხრივ, ფიზიკური და შესწავლის აუცილებლობით. მოლეკულურ დონეზე წარმოქმნილი ცხოვრებისეული ფენომენების ფიზიკურ-ქიმიური საფუძვლები.

მოლეკულური სტრუქტურებისა და მათში მიმდინარე პროცესების შესახებ ზუსტი ინფორმაციის მოპოვება შესაძლებელი გახდა ახალი დახვეწილი ფიზიკური და ქიმიური მეთოდების გამოყენების შედეგად. ელექტროქიმიის მიღწევებზე დაყრდნობით შესაძლებელი გახდა ბიოელექტრული პოტენციალების გაზომვის მეთოდის დახვეწა იონშერჩევითი ელექტროდების გამოყენებით (გ. ეიზენმანი, ბ.პ. ნიკოლსკი, ხური, 50-60-იანი წწ.). სულ უფრო და უფრო პრაქტიკაში შემოდის ინფრაწითელი სპექტროსკოპია (ლაზერული მოწყობილობების გამოყენებით), რაც შესაძლებელს ხდის ცილების კონფორმაციული ცვლილებების შესწავლას (I. Plotnikov, 1940). ღირებულ ინფორმაციას გვაწვდის აგრეთვე ელექტრონული პარამაგნიტური რეზონანსის მეთოდი (E. K. Zavoisky, 1944) და ბიოქიმილუმინესცენტური მეთოდი (B. N. Tarusov et al., 1960), რაც შესაძლებელს ხდის, კერძოდ, ვიმსჯელოთ ელექტრონების ტრანსპორტირებაზე ჟანგვითი პროცესების დროს.

1950-იანი წლებისთვის ბიოფიზიკა უკვე ძლიერ პოზიციას იკავებდა. საჭიროა კვალიფიციური სპეციალისტების მომზადება. თუ 1911 წელს ევროპაში მხოლოდ უნგრეთის პეჩის უნივერსიტეტს ჰქონდა ბიოფიზიკის კათედრა, მაშინ 1973 წლისთვის ასეთი კათედრა არსებობს თითქმის ყველა ძირითად უნივერსიტეტში.

1960 წელს შეიქმნა ბიოფიზიკოსთა საერთაშორისო საზოგადოება. 1961 წლის აგვისტოში სტოკჰოლმში გაიმართა პირველი საერთაშორისო ბიოფიზიკური კონგრესი. მეორე კონგრესი გაიმართა 1965 წელს პარიზში, მესამე - 1969 წელს ბოსტონში, მეოთხე - 1972 წელს მოსკოვში.

ბიოფიზიკაში მკაფიო განსხვავებაა სხვადასხვა შინაარსის ორ სფეროს შორის - მოლეკულური ბიოფიზიკა და უჯრედული ბიოფიზიკა. ეს განსხვავება ასევე იღებს ორგანიზაციულ გამოხატულებას: იქმნება ბიოფიზიკის ამ ორი სფეროს ცალკეული განყოფილებები. მოსკოვის უნივერსიტეტში ბიოფიზიკის პირველი განყოფილება შეიქმნა 1953 წელს ბიოლოგიისა და ნიადაგმცოდნეობის ფაკულტეტზე, ცოტა მოგვიანებით კი ფიზიკის ფაკულტეტზე გამოჩნდა ბიოფიზიკის განყოფილება. იმავე პრინციპით ორგანიზებული იყო განყოფილებები ბევრ სხვა უნივერსიტეტში.

მოლეკულური ბიოფიზიკა

ბოლო წლების განმავლობაში, კავშირი მოლეკულურ ბიოფიზიკასა და მოლეკულურ ბიოლოგიას შორის სულ უფრო მყარდება და ახლა ზოგჯერ რთულია იმის დადგენა, თუ სად არის გამყოფი ხაზი მათ შორის. მემკვიდრეობითი ინფორმაციის პრობლემაზე ზოგადი შეტევისას, ასეთი თანამშრომლობა ბიოფიზიკასა და მოლეკულურ ბიოლოგიას შორის გარდაუვალია.

კვლევით მუშაობაში ძირითადი მიმართულებაა ნუკლეინის მჟავების - დნმ-ისა და რნმ-ის ფიზიკის შესწავლა. ზემოაღნიშნული მეთოდების გამოყენებამ და, უპირველეს ყოვლისა, რენტგენის დიფრაქციულმა ანალიზმა ხელი შეუწყო ნუკლეინის მჟავების მოლეკულური სტრუქტურის გაშიფვრას. ამჟამად მიმდინარეობს ინტენსიური კვლევა ხსნარებში ამ მჟავების ქცევის შესასწავლად. განსაკუთრებული ყურადღება ეთმობა კონფორმაციულ გადასვლებს „ჰელიქს-სპირალი“, რომლებიც შესწავლილია სიბლანტის, ოპტიკური და ელექტრული პარამეტრების ცვლილებებით. მუტაგენეზის მექანიზმების შესწავლასთან დაკავშირებით მუშავდება კვლევები მაიონებელი გამოსხივების გავლენის შესასწავლად ხსნარებში ნუკლეინის მჟავების ქცევაზე, აგრეთვე რადიაციის გავლენის შესახებ ვირუსების და ფაგების ნუკლეინის მჟავებზე. ულტრაიისფერი გამოსხივების ეფექტი, რომლის ზოგიერთი სპექტრული რეგიონი, როგორც ცნობილია, კარგად შეიწოვება ნუკლეინის მჟავებით, დაექვემდებარა ყოვლისმომცველ ანალიზს. ამ ტიპის კვლევაში დიდი წილი აქვს ნუკლეინის მჟავებისა და ცილების აქტიური რადიკალების გამოვლენას ელექტრონული პარამაგნიტური რეზონანსის მეთოდით. ამ მეთოდის გამოყენებასთან ასოცირდება მთელი დამოუკიდებელი მიმართულების გაჩენა.

დნმ-ისა და რნმ-ის ინფორმაციის კოდირების და ცილის სინთეზის დროს მისი გადაცემის პრობლემა დიდი ხანია აინტერესებს მოლეკულური ბიოფიზიკას და ფიზიკოსებს არაერთხელ გამოუთქვამთ გარკვეული მოსაზრებები ამ თემაზე (E. Schrödinger, G. Gamow). გენეტიკური კოდის გაშიფვრამ გამოიწვია მრავალი თეორიული და ექსპერიმენტული კვლევა დნმ-ის სპირალის სტრუქტურაზე, მისი ძაფების სრიალისა და გადახვევის მექანიზმზე და ამ პროცესებში მონაწილე ფიზიკური ძალების შესწავლაზე.

მოლეკულური ბიოფიზიკა მნიშვნელოვან დახმარებას უწევს მოლეკულურ ბიოლოგიას ცილის მოლეკულების სტრუქტურის შესწავლაში რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის დახმარებით, რომელიც პირველად გამოიყენა 1930 წელს ჯ.ბერნალმა. ბიოქიმიურ (ფერმენტულ მეთოდებთან) კომბინაციაში ფიზიკური მეთოდების გამოყენების შედეგად გამოვლინდა რიგ ცილებში მოლეკულური კონფორმაცია და ამინომჟავების თანმიმდევრობა.

თანამედროვე ელექტრონული მიკროსკოპული კვლევები, რომლებმაც გამოავლინეს უჯრედებში და მის ორგანელებში რთული მემბრანული სისტემების არსებობა, სტიმული მისცა მცდელობებს გაეგოთ მათი მოლეკულური სტრუქტურა (იხ. თავები 10 და 11). მემბრანების ქიმიური შემადგენლობა და, კერძოდ, მათი ლიპიდების თვისებები შესწავლილია in vivo. დადგინდა, რომ ამ უკანასკნელებს შეუძლიათ ზეოქსიდაცია და ჯაჭვის ჟანგვის არაფერმენტული რეაქციები (Yu. A. Vladimirov and F. F. Litvin, 1959; B. N. Tarusov et al., 1960; I. I. Ivanov, 1967), რაც იწვევს მემბრანის დისფუნქციას. მემბრანების შემადგენლობის შესასწავლად დაიწყეს მათემატიკური მოდელირების მეთოდებიც (ვ. ც. პრესმანი, 1964 - 1968; მ. მ.შემიაკინი, 1967; იუ. ა. ოვჩინნიკოვი, 1972).

უჯრედული ბიოფიზიკა

ბიოფიზიკის ისტორიაში მნიშვნელოვანი მოვლენა იყო 50-იან წლებში ბიოლოგიური პროცესების თერმოდინამიკის შესახებ ნათელი იდეების ჩამოყალიბება, რის შედეგადაც ცოცხალ უჯრედებში ენერგიის დამოუკიდებელი წარმოქმნის შესაძლებლობის შესახებ ვარაუდები, თერმოდინამიკის მეორე კანონის საწინააღმდეგოდ. საბოლოოდ გაქრა. ბიოლოგიურ სისტემებში ამ კანონის მოქმედების გაგება დაკავშირებულია ბელგიელი მეცნიერის I. Prigogine (1945) * ბიოლოგიურ თერმოდინამიკაში ღია სისტემების ცნების შემოღებასთან, რომლებიც ცვლის ენერგიას და მატერიას გარე გარემოსთან. პრიგოჟინმა აჩვენა, რომ ცოცხალ უჯრედებში ფორმირდება დადებითი ენტროპია სამუშაო პროცესების დროს თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესაბამისად. მის მიერ შემოღებულმა განტოლებებმა განსაზღვრა პირობები, რომლებშიც წარმოიქმნება ეგრეთ წოდებული სტაციონარული მდგომარეობა (ადრე მას ასევე ეძახდნენ დინამიურ წონასწორობას), რომელშიც უჯრედებში საკვებით შემავალი თავისუფალი ენერგიის რაოდენობა (ნეგენტროპია) ანაზღაურებს მის მოხმარებას, ხოლო დადებითი ენტროპია არის გამომავალი. ამ აღმოჩენამ გააძლიერა ზოგადი ბიოლოგიური იდეა უჯრედების გარე და შიდა გარემოს შორის განუყოფელი კავშირის შესახებ. ამით დაიწყო ცოცხალი სისტემების თერმოდინამიკის რეალური შესწავლა, მოდელირების მეთოდის ჩათვლით (A. Burton, 1939; A. G. Pasynsky, 1967).

* (ღია სისტემების ზოგადი თეორია პირველად წამოაყენა ლ.ბერტალანფიმ 1932 წელს.)

ბიოთერმოდინამიკის ძირითადი პრინციპის თანახმად, სიცოცხლის არსებობის აუცილებელი პირობაა სტაციონარული მისი ბიოქიმიური პროცესების განვითარებაში, რომლის განსახორციელებლად აუცილებელია მრავალი მეტაბოლური რეაქციის სიჩქარის კოორდინაცია. ახალი ბიოფიზიკური თერმოდინამიკის საფუძველზე გაჩნდა ტენდენცია, რომელიც გამოყოფს გარე და შიდა ფაქტორებს, რომლებიც უზრუნველყოფენ რეაქციების ამ კოორდინაციას და ხდის მას სტაბილურს. ბოლო ორი ათწლეულის განმავლობაში გამოვლინდა დიდი როლი ინჰიბიტორების და განსაკუთრებით ანტიოქსიდანტების სისტემის სტაციონარული მდგომარეობის შენარჩუნებაში (B. N. Tarusov and A. I. Zhuravlev, 1954, 1958). დადგენილია, რომ სტაციონარული განვითარების საიმედოობა დაკავშირებულია გარემო ფაქტორებთან (ტემპერატურა) და უჯრედული გარემოს ფიზიკოქიმიურ თვისებებთან.

ბიოთერმოდინამიკის თანამედროვე პრინციპებმა შესაძლებელი გახადა ადაპტაციის მექანიზმის ფიზიკურ-ქიმიური ინტერპრეტაცია. ჩვენი მონაცემებით, გარემო პირობებთან ადაპტაცია შეიძლება მოხდეს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მათი ცვლილებისას სხეულს შეუძლია დაამყაროს სტაციონარული ბიოქიმიური რეაქციების განვითარებაში (B.N. Tarusov, 1974). გაჩნდა კითხვა ახალი მეთოდების შემუშავების შესახებ, რომელიც საშუალებას მისცემს შეაფასოს სტაციონარული მდგომარეობა in vivo და წინასწარ განსაზღვროს მისი შესაძლო დარღვევები. ბიოთერმოდინამიკაში თვითრეგულირებადი სისტემების კიბერნეტიკური პრინციპების დანერგვა და ბიოლოგიური ადაპტაციის პროცესების კვლევა დიდ სარგებელს გვპირდება. ცხადი გახდა, რომ სტაბილური მდგომარეობის სტაბილურობის პრობლემის გადასაჭრელად, მნიშვნელოვანია გათვალისწინებულ იქნას ეგრეთ წოდებული შემაშფოთებელი ფაქტორები, რომლებიც მოიცავს, კერძოდ, ლიპიდების დაჟანგვის არაფერმენტულ რეაქციებს. ბოლო დროს ფართოვდება პეროქსიდაციის პროცესების კვლევები ცოცხალი უჯრედების ლიპიდურ ფაზებში და აქტიური რადიკალური პროდუქტების ზრდის შესახებ, რომლებიც არღვევენ მემბრანების მარეგულირებელ ფუნქციებს. ამ პროცესების შესახებ ინფორმაციის წყაროა როგორც აქტიური პეროქსიდური რადიკალების, ასევე ბიოლიპიდების პეროქსიდური ნაერთების გამოვლენა (A. Tappel, 1965; I. I. Ivanov, 1965; E. B. Burlakova, 1967 და სხვ.). რადიკალების გამოსავლენად გამოიყენება ბიოქიმილუმინესცენცია, რომელიც წარმოიქმნება ცოცხალი უჯრედების ლიპიდებში მათი რეკომბინაციის დროს.

სტაბილური მდგომარეობის სტაბილურობის შესახებ ფიზიკოქიმიური იდეების საფუძველზე წარმოიშვა ბიოფიზიკური იდეები მცენარეების ადაპტაციის შესახებ გარემო პირობების ცვლილებებთან, როგორც ინჰიბიტორული ანტიოქსიდანტური სისტემების დარღვევა (ბ. ნ. ტარუსოვი, ია. ე. დოსკოჩი, ბ. მ. კიტლაევი, ა. მ. აგავერდიევი 1968 - 1972 წწ.). ამან გახსნა ისეთი თვისებების შეფასების შესაძლებლობა, როგორიცაა ყინვაგამძლეობა და მარილის ტოლერანტობა, ასევე სასოფლო-სამეურნეო მცენარეების შერჩევისას შესაბამისი პროგნოზების გაკეთება.

1950-იან წლებში აღმოაჩინეს ულტრა სუსტი ბზინვარება - მთელი რიგი ბიოლოგიური ობიექტების ბიოქიმილუმინესცენცია სპექტრის ხილულ და ინფრაწითელ ნაწილებში (ბ. ნ. ტარუსოვი, ა. ი. ჟურავლევი, ა. ი. პოლივოდა). ეს შესაძლებელი გახდა ზესუსტი სინათლის ნაკადების აღრიცხვის მეთოდების შემუშავების შედეგად ფოტომულტიპლიკატორების გამოყენებით (L. A. Kubetsky, 1934). როგორც ცოცხალ უჯრედში მიმდინარე ბიოქიმიური რეაქციების შედეგი, ბიოქიმილუმინესცენცია შესაძლებელს ხდის ფერმენტებს შორის ელექტრონების გადაცემის ჯაჭვებში მნიშვნელოვანი ჟანგვითი პროცესების განსჯას. ბიოქიმილუმინესცენციის აღმოჩენასა და შესწავლას დიდი თეორიული და პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. ასე რომ, ბ. .

1950-იან წლებში, ბირთვული ფიზიკის სწრაფ განვითარებასთან დაკავშირებით, ბიოფიზიკიდან წარმოიშვა რადიობიოლოგია, რომელიც სწავლობს მაიონებელი გამოსხივების ბიოლოგიურ ეფექტს. ხელოვნური რადიოაქტიური იზოტოპების წარმოებამ, თერმობირთვული იარაღის, ატომური რეაქტორების შექმნამ და ატომური ენერგიის პრაქტიკული გამოყენების სხვა ფორმების შემუშავებამ მთელი თავისი სიმწვავით წამოაყენა მაიონებელი გამოსხივების მავნე ზემოქმედებისგან ორგანიზმების დაცვის პრობლემა და განვითარება. რადიაციული დაავადების პრევენციისა და მკურნალობის თეორიული საფუძვლები. ამისათვის, პირველ რიგში, საჭირო იყო გაერკვია, რომელი უჯრედის კომპონენტები და მეტაბოლიზმის რგოლებია ყველაზე დაუცველი.

ბიოფიზიკასა და რადიობიოლოგიაში შესწავლის ობიექტი იყო პირველადი ქიმიური რეაქციების ბუნების გარკვევა, რომლებიც წარმოიქმნება ცოცხალ სუბსტრატებში რადიაციული ენერგიის გავლენის ქვეშ. აქ მნიშვნელოვანი იყო არა მხოლოდ ამ ფენომენის მექანიზმების გაგება, არამედ შეძლებოდა გავლენის მოხდენა ფიზიკური ენერგიის ქიმიურ ენერგიაზე გაცვლის პროცესზე, მისი „სასარგებლო“ მოქმედების კოეფიციენტის შემცირება. ამ მიმართულებით მუშაობა დაიწყო ნ.ნ.სემენოვის (1933) სკოლის სწავლებით სსრკ-ში და დ.ჰინშელვუდის (1935 წ.) ინგლისში.

რადიობიოლოგიურ კვლევაში მნიშვნელოვანი ადგილი ეკავა სხვადასხვა ორგანიზმის რადიაციული წინააღმდეგობის ხარისხის შესწავლას. აღმოჩნდა, რომ გაზრდილი რადიორეზისტენტობა (მაგალითად, უდაბნოს მღრღნელებში) განპირობებულია უჯრედის მემბრანის ლიპიდების მაღალი ანტიოქსიდანტური აქტივობით (M. Chang et al., 1964; N. K. Ogryzov et al., 1969). აღმოჩნდა, რომ ტოკოფეროლები, ვიტამინი K და თიო ნაერთები მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ ამ სისტემების ანტიოქსიდანტური თვისებების ფორმირებაში (II Ivanov et al., 1972). ბოლო წლებში დიდი ყურადღება მიიპყრო მუტაგენეზის მექანიზმების შესწავლამ. ამ მიზნით შესწავლილია მაიონებელი გამოსხივების გავლენა ნუკლეინის მჟავების და ცილების ქცევაზე in vitro, ასევე ვირუსებსა და ფაგებში (A. Gustafson, 1945 - 1950).

ბრძოლა ქიმიური დაცვის ეფექტურობის შემდგომი გაზრდისთვის, უფრო ეფექტური ინჰიბიტორების ძიება და ინჰიბირების პრინციპები რჩება ბიოფიზიკის მთავარ ამოცანად ამ მიმართულებით.

პროგრესი მიღწეულია ბიოპოლიმერების აღგზნებული მდგომარეობების შესწავლაში, რაც განსაზღვრავს მათ მაღალ ქიმიურ აქტივობას. ყველაზე წარმატებული იყო აღგზნებული მდგომარეობების შესწავლა, რომლებიც წარმოიქმნება ფოტობიოლოგიური პროცესების პირველად ეტაპზე - ფოტოსინთეზი და ხედვა.

ამრიგად, დიდი წვლილი შეიტანა მცენარეთა პიგმენტური სისტემების მოლეკულების პირველადი გააქტიურების გაგებაში. დადგენილია აღგზნებული მდგომარეობების ენერგიის გადაცემის (მიგრაციის) დიდი მნიშვნელობა გააქტიურებული პიგმენტებიდან სხვა სუბსტრატებზე დანაკარგების გარეშე. ამ იდეების განვითარებაში დიდი როლი ითამაშა A.N.Terenin-ის თეორიულმა ნაშრომებმა (1947 და მოგვიანებით). A.A. Krasnovsky (1949) აღმოაჩინა და შეისწავლა ქლოროფილის და მისი ანალოგების შექცევადი ფოტოქიმიური შემცირების რეაქცია. ახლა არსებობს ზოგადი რწმენა, რომ უახლოეს მომავალში შესაძლებელი იქნება ფოტოსინთეზის რეპროდუცირება ხელოვნურ პირობებში (იხ. აგრეთვე თავი 5).

ბიოფიზიკოსები აგრძელებენ მუშაობას კუნთების შეკუმშვის ბუნებისა და ნერვული აგზნებისა და გამტარობის მექანიზმების გამოვლენაზე (იხ. თავი 11). აქტუალური გახდა აგრეთვე აღგზნებული მდგომარეობიდან ნორმალურ მდგომარეობაში გადასვლის მექანიზმების კვლევა. აღგზნებული მდგომარეობა ახლა განიხილება, როგორც ავტოკატალიტიკური რეაქციის შედეგი, ხოლო დათრგუნვა განიხილება, როგორც ინჰიბიტორული ანტიოქსიდანტური აქტივობის მკვეთრი მობილიზაციის შედეგად, მოლეკულური გადანაწილების შედეგად ისეთ ნაერთებში, როგორიცაა ტოკოფეროლი (I.I.Ivanov, O.R. Kols, 1966; O.R. კოლსი, 1970).

ბიოფიზიკის ყველაზე მნიშვნელოვან ზოგად პრობლემად რჩება ცოცხალი ნივთიერების თვისებრივი ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლების ცოდნა. ისეთი თვისებები, როგორიცაა ცოცხალი ბიოპოლიმერების უნარი, შერჩევით შეაერთონ კალიუმი ან ელექტრული დენის პოლარიზაცია, არ შეიძლება შენარჩუნდეს ორგანიზმიდან ყველაზე ფრთხილად მოცილების შემთხვევაშიც კი. ამიტომ, ფიჭური ბიოფიზიკა აგრძელებს ინტენსიურად კრიტერიუმებისა და მეთოდების შემუშავებას ცოცხალი მატერიის სიცოცხლის შესწავლისთვის.

მოლეკულური ბიოლოგიის ახალგაზრდობის მიუხედავად, ამ სფეროში მიღწეული პროგრესი მართლაც განსაცვიფრებელია. შედარებით მოკლე დროში დადგინდა გენის ბუნება და მისი ორგანიზების, რეპროდუქციისა და ფუნქციონირების ძირითადი პრინციპები. უფრო მეტიც, განხორციელდა არა მხოლოდ გენების ინ ვიტრო რეპროდუქცია, არამედ პირველად დასრულდა თავად გენის სრული სინთეზი. გენეტიკური კოდი მთლიანად გაშიფრულია და მოგვარებულია ცილების ბიოსინთეზის სპეციფიკის ყველაზე მნიშვნელოვანი ბიოლოგიური პრობლემა. გამოვლენილი და შესწავლილია უჯრედში ცილის წარმოქმნის ძირითადი გზები და მექანიზმები. მრავალი სატრანსპორტო რნმ-ის პირველადი სტრუქტურა, სპეციფიკური ადაპტერის მოლეკულები, რომლებიც თარგმნიან ნუკლეინის შაბლონების ენას სინთეზირებული ცილის ამინომჟავების თანმიმდევრობის ენაზე, სრულად არის განსაზღვრული. მრავალი ცილის ამინომჟავების თანმიმდევრობა სრულად არის გაშიფრული და ზოგიერთი მათგანის სივრცითი სტრუქტურა დადგენილია. ამან შესაძლებელი გახადა ფერმენტის მოლეკულების ფუნქციონირების პრინციპისა და დეტალების გარკვევა. განხორციელდა ერთ-ერთი ფერმენტის, რიბონუკლეაზის ქიმიური სინთეზი. დადგენილია სხვადასხვა უჯრედული ნაწილაკების, მრავალი ვირუსისა და ფაგის ორგანიზაციის ძირითადი პრინციპები და უჯრედში მათი ბიოგენეზის ძირითადი გზები. აღმოჩენილია მიდგომები გენის აქტივობის რეგულირების გზებისა და სასიცოცხლო აქტივობის მარეგულირებელი მექანიზმების გასარკვევად. ამ აღმოჩენების უკვე მარტივი ჩამონათვალი მიუთითებს, რომ მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარი. აღინიშნა ბიოლოგიაში უზარმაზარი პროგრესი, რაც, პირველ რიგში, განპირობებულია ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი მაკრომოლეკულების - ნუკლეინის მჟავებისა და ცილების სტრუქტურისა და ფუნქციების სიღრმისეული შესწავლით.

მოლეკულური ბიოლოგიის მიღწევები დღეს უკვე გამოიყენება პრაქტიკაში და მოაქვს ხელშესახები შედეგები მედიცინაში, სოფლის მეურნეობაში და ზოგიერთ ინდუსტრიაში. ეჭვგარეშეა, რომ ამ მეცნიერების დაბრუნება ყოველდღე გაიზრდება. თუმცა, მთავარი შედეგი მაინც უნდა ჩაითვალოს, რომ მოლეკულური ბიოლოგიის წარმატებების გავლენით გაძლიერდა ნდობა სიცოცხლის ყველაზე საიდუმლო საიდუმლოებების გამოვლენის გზაზე შეუზღუდავი შესაძლებლობების არსებობისადმი.

მომავალში, როგორც ჩანს, მატერიის მოძრაობის ბიოლოგიური ფორმის შესწავლის ახალი გზები გაიხსნება - ბიოლოგია მოლეკულური დონიდან ატომურ დონეზე გადავა. თუმცა, ახლა, ალბათ, არ არსებობს არც ერთი მკვლევარი, რომელიც რეალურად იწინასწარმეტყველებდა მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარებას მომდევნო 20 წლის განმავლობაშიც კი.

საიტზე now.nsexy.ru/ დაუვიწყარ დროს გაატარებთ.

ᲛᲝᲚᲔᲙᲣᲚᲣᲠᲘ ᲑᲘᲝᲚᲝᲒᲘᲐ ᲛᲝᲚᲔᲙᲣᲚᲣᲠᲘ ᲑᲘᲝᲚᲝᲒᲘᲐ

ძირითადის შესწავლა სიცოცხლის თვისებები და გამოვლინებები მოლეკულურ დონეზე. უმნიშვნელოვანესი მიმართულებები მ.ბ. არის უჯრედების გენეტიკური აპარატის სტრუქტურული და ფუნქციური ორგანიზაციის და მემკვიდრეობითი ინფორმაციის განხორციელების მექანიზმის (მოლეკულური გენეტიკა), ბურჯის შესწავლა. ვირუსების უჯრედებთან ურთიერთქმედების მექანიზმები (მოლეკულური ვირუსოლოგია), ორგანიზმის იმუნური რეაქციების ნიმუშების შესწავლა (მოლეკულური იმუნოლოგია), ორგანიზმების ინდივიდუალური განვითარების პროცესში უჯრედების სხვადასხვა ხარისხის გარეგნობის შესწავლა და სპეციალიზაცია. უჯრედების (M. b. განვითარება) და ა.შ. M. b. წარმოიშვა ბიოქიმიიდან და გაჩნდა როგორც დამოუკიდებელი მეცნიერება 1950-იან წლებში. მ-ის დაბადება. ხშირად მიეკუთვნება 1953 წელს, როდესაც გამოქვეყნდა ჯ. უოტსონისა და ფ. კრიკის ნაშრომები დნმ-ის მოლეკულის სივრცითი სტრუქტურის შესახებ (ე.წ. ორმაგი სპირალი) და ბიოლ. ამ მოლეკულის ფუნქცია დაკავშირებული იყო მის ქიმიურ ნივთიერებასთან. სტრუქტურა (ჯერ კიდევ 1944 წელს ო. ევერიმ და სხვებმა დაადგინეს, რომ დნმ არის მემკვიდრეობის, ინფორმაციის მატარებელი). მ-ის ფორმირებაში. დიდი როლი ითამაშა კლასიკური გენეტიკის, მიკრობიოლოგიის, ვირუსოლოგიის იდეებმა და მეთოდებმა, ზუსტი მეცნიერებების - ფიზიკის, ქიმიის, მათემატიკის, კრისტალოგრაფიის, განსაკუთრებით რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის მიღწევების გამოყენებამ). მთავარი კვლევის ობიექტები მ. არის ვირუსები, მათ შორის ბაქტერიოფაგები, უჯრედები და სუბუჯრედული სტრუქტურები (ბირთვები, მიტოქონდრია, რიბოსომები, ქრომოსომა, უჯრედის მემბრანები), ასევე მაკრომოლეკულები (ცილები, ნუკლეინის მჟავები). ნაიბი, მ-ის ძირითადი მიღწევები - ნეკ-რი ცილების სტრუქტურის გაშიფვრა და მათ სტრუქტურასა და ფუნქციას შორის კავშირის დამყარება (მ. პერუტსი, ჯ. კენდრიუ, ფ. სანგერი, კ. ანფინსენი და სხვ.), სტრუქტურის დადგენა და ბიოლის მექანიზმი. ნუკლეინის ფუნქციები - t და რიბოზომები (ჯ. უოტსონი, ფ. კრიკი, რ. ჰოლი და სხვ.), დეკოდირების გენეტიკური. კოდი (მ. ნირენბერგი, ს. ოჩოა), საპირისპირო ტრანსკრიფციის აღმოჩენა (X. Temin, D. Baltimore), მექანიზმი მთავარ. ცილის მოლეკულის (ფ. კრიკი, ფ. იაკობი, ჯ. მონო) და ნუკლეინის მჟავების (ა. კორნბერგი, ს. ოჩოა) ბიოსინთეზის ეტაპები, ვირუსების სტრუქტურისა და მათი რეპლიკაციის მექანიზმების ჩამოყალიბება, განვითარება. გენეტიკური ინჟინერიის მეთოდების (პ. ბერგ, ვ. არბერი, გ. ო. სმიტი, დ. ნათანი), გენის სინთეზი (X. ყურანი) და სხვ. სოვ. მეცნიერებს ეკუთვნით ბიოპოლიმერების მატრიცული სინთეზის პრინციპის ფორმულირება (ნ. კ. კოლცოვი), საფუძვლების ჩამოყალიბება თანამედროვე. ბიოენერგეტიკა და მექაპოქიმია (ვ. ა. ენგელგარდტი), მაღალ მცენარეებში დნმ-ის არსებობის დადასტურება (ნ. ა. ბელოზერსკი), ვიროგენეტიკის შექმნა. კიბოს დაწყების თეორია (L. A. Zilber), ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის დადგენა ტრანსფერულ რნმ-ში (A. A. Baev), ინფორმოსომების აღმოჩენა და შესწავლა (A. S. Spirin) და სხვ. M. b. დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს განვითარებაში x-va (მართული და კონტროლირებადი ცვლილება ცხოველთა და მცენარეთა მემკვიდრეობითი აპარატში მაღალპროდუქტიული ჯიშებისა და ჯიშების მისაღებად), მიკრობიოლოგიური ინდუსტრია (ბიოლოგიურად აქტიური პოლიპეპტიდების და ცილების, ამინომჟავების და ა.შ. ბაქტერიული სინთეზი) და როგორც თეორიული. დეკემბრის საფუძველზე. მედიცინის სექციები (ვირუსოლოგია, იმუნოლოგია და ა.შ.). სანამ მ.ბ. მათი თქმით, პრობლემების გადაჭრის ამოცანაა. ავთვისებიანი ზრდის საფუძვლები, მემკვიდრეობითი დაავადებების პროფილაქტიკა, კატალიზის მოლეკულური საფუძვლის გარკვევა, ჰორმონების მოქმედება, ტოქსიკური. და სამკურნალო ნივთიერებები, მეხსიერების მექანიზმების ცოდნა, ნერვული პროცესების ხასიათი. დიდი მნიშვნელობა აქვს გენეტიკური ინჟინერიის განვითარებას, რაც შესაძლებელს ხდის გენეტიკური მიზანმიმართულად ფუნქციონირებას. ცხოველური ორგანიზმების აპარატი. მ.ბ. ბიოქიმიასთან, ბიოფიზიკასთან, ბიოორგანულ ქიმიასთან ერთად ისინი ხშირად გაერთიანებულია ერთ ზოგად მიმართულებაში - ფიზიკურ და ქიმიურ ბიოლოგიაში.

.(წყარო: „ბიოლოგიური ენციკლოპედიური ლექსიკონი“. მთავარი რედაქტორი მ.

ბიოლოგიის ფილიალი, რომელიც სწავლობს ცოცხალ ორგანიზმებში არსებულ სტრუქტურებსა და პროცესებს მოლეკულურ დონეზე. მოლეკულური ბიოლოგია ცდილობს ახსნას სიცოცხლის ყველაზე მნიშვნელოვანი ფენომენები (მემკვიდრეობა, ცვალებადობა, ზრდა, განვითარება, მოძრაობა, მეტაბოლიზმი და ენერგია, მგრძნობელობა, იმუნიტეტი და ა.შ.) ორგანიზმების შემადგენელი ქიმიკატების სტრუქტურით, თვისებებითა და ურთიერთქმედებით. ნებისმიერ ორგანიზმში, მისი არსებობის ყოველ მომენტში, ხდება ბიოქიმიური რეაქციების უზარმაზარი რაოდენობა, რომელშიც მონაწილეობენ მოლეკულები დიდი და პატარა, მარტივი და რთული, ორგანული და არაორგანული. ყველა ეს რეაქცია მკაცრად არის მოწესრიგებული და, სხეულის პირობებისა და საჭიროებიდან გამომდინარე, ექვემდებარება რეგულირებას და რეგულირებას. ამ პროცესების ორგანიზებაში გადამწყვეტი როლი ეკუთვნის დიდი მოლეკულების ორ კლასს - ცილებიდა ნუკლეინის მჟავა. ეს ბიოპოლიმერები ემსახურება მოლეკულურ ბიოლოგიაში შესწავლის ძირითად ობიექტს.
თავიდანვე განვითარდა მოლეკულური ბიოლოგია, როგორც სამეცნიერო სფერო, რომელიც დაკავშირებულია ძირითადად ბიოქიმიასთან და ბიოფიზიკასთან, ასევე გენეტიკასთან, მიკრობიოლოგიასთან და ვირუსოლოგიასთან. 30-40-იან წლებში. მე -20 საუკუნე ყველაზე მნიშვნელოვანი ცილების სივრცითი სტრუქტურის დასადგენად დაიწყო რენტგენის დიფრაქციული ანალიზის გამოყენება, რომელმაც შემდგომში გადამწყვეტი როლი ითამაშა დნმ-ის სტრუქტურის დადგენაში. ამ წლებში ბიოლოგიაში ფიზიკისა და ქიმიის მეთოდებისა და იდეების დანერგვამ საფუძველი ჩაუყარა „მოლეკულური“ მიმართულების განვითარებას. მრავალი თვალსაზრისით, მისმა მომავალმა წარმატებებმა წინასწარ განსაზღვრა ფიზიკოსებისა და ქიმიკოსების ინტერესი პრობლემისადმი მემკვიდრეობითობა. 1944 წელს კვანტური მექანიკის ერთ-ერთი დამაარსებლის, ე.შროდინგერის წიგნი „რა არის სიცოცხლე? ფიზიკოსის თვალთახედვით“, რომელიც შეიცავდა გენეტიკის საფუძვლების შეჯამებას. ეს ნამუშევარი ზუსტი მეცნიერებების ბევრმა წარმომადგენელმა აღიქვეს, როგორც მოწოდება ძალისხმევის კონცენტრირებისკენ "მემკვიდრეობის ნივთიერების" გამოცანის ამოხსნაზე.
9 წლის შემდეგ ჯ.უოტსონმა და ფ.კრიკმა გადაჭრეს ეს პრობლემა. მათი სტატიის გამოქვეყნების დროისთვის (1953 წლის აპრილი), რომელშიც შესთავაზეს დნმ-ის მოლეკულის მოდელი (ე.წ. ორმაგი სპირალი), ჩვეულებრივად არის მიკუთვნებული მოლეკულური ბიოლოგიის დაბადება. უოტსონ-კრიკის მოდელმა ნათლად გამოხატა ახალი მეცნიერების მთავარი მიზანი: მაკრომოლეკულის ბიოლოგიური ფუნქციები შეიძლება აიხსნას მისი სტრუქტურით (იხ. დეოქსირიბონუკლეინის მჟავები). ამავდროულად, მოლეკულური დონე (ორჯაჭვიანი დნმ) ლოგიკურად იყო დაკავშირებული უჯრედქვეშა დონესთან (რეპლიკაცია). ქრომოსომები), ფიჭური ( მიტოზი, მეიოზი) და ორგანიზმის (ნიშანთა მემკვიდრეობა).
ანალოგიური მიდგომა იყო ადრე ნაშრომებშიც. ჯერ კიდევ 1927 წელს ნ.კ. კოლცოვიგამოთქვა ჰიპოთეზა "მემკვიდრეობითი მოლეკულების" შესახებ, რომლებსაც შეუძლიათ რეპროდუცირება მატრიცის სინთეზით და V.A. ენგელჰარდტმა 1939 წელს მოახერხა კუნთების ცილების სტრუქტურის დაკავშირება კუნთების შეკუმშვაში მათ როლთან. თუმცა, მხოლოდ „ორმაგი სპირალის“ შემდეგ დაიწყო მოლეკულური ბიოლოგიის სწრაფი განვითარება, რომელიც საბუნებისმეტყველო მეცნიერების ლიდერი გახდა. გარდა მრავალი კონკრეტული მიღწევისა (გაშიფვრა გენეტიკური კოდიცილების ბიოსინთეზის მექანიზმების გამჟღავნება, ფერმენტების და სხვა ცილების სივრცითი სტრუქტურა, ბიოლოგიური მემბრანების სტრუქტურა და როლი უჯრედულ პროცესებში და ა. ტარდება პროცესები. ამრიგად, ურთიერთქმედების მოლეკულების კომპლემენტარულობა (მათი კომპლემენტარულობა, ურთიერთშესაბამისობა, როგორც „გასაღები და საკეტი“), რაც იწვევს მათ შორის არაკოვალენტური ქიმიური ბმების წარმოქმნას, საფუძვლად უდევს პროცესებს, რომლებიც საჭიროებენ ბიოლოგიურ სპეციფიკას (შერჩევითობა, „აღიარება“). დნმ-ის და ცილების სინთეზიდან და დამთავრებული ფერმენტსა და სუბსტრატს, ანტისხეულსა და ანტიგენს შორის კომპლექსების წარმოქმნით, ვირუსული ნაწილაკებისა და ციტოჩონჩხის თვითშეკრებით. ანალოგიურად, მატრიცის სინთეზის პრინციპი გამოიყენება უჯრედების მიერ არა ერთხელ, არამედ გენეტიკური ინფორმაციის განხორციელების სხვადასხვა ეტაპზე.
2003 წლის აპრილში მეცნიერებმა მთელ მსოფლიოში აღნიშნეს "ორმაგი სპირალის" და მოლეკულური ბიოლოგიის ნახევარსაუკუნოვანი წლისთავი. ჩვენს ქვეყანაში ამ მიმართულების განვითარებას საფუძველი ჩაეყარა აკადემიკოსების ვ.ა. ენგელჰარდტი (1894-1984), ა.ნ. ბელოზერსკი (1905-1972), ა.ა. ბაევა (1903/04-1994 წწ.).

.(წყარო: "ბიოლოგია. თანამედროვე ილუსტრირებული ენციკლოპედია." მთავარი რედაქტორი A.P. Gorkin; M.: Rosmen, 2006 წ.)

ნახეთ, რა არის „მოლეკულური ბიოლოგია“ სხვა ლექსიკონებში:

იკვლევს სიცოცხლის ძირითად თვისებებსა და გამოვლინებებს მოლეკულურ დონეზე. აღმოაჩენს, თუ როგორ და რამდენად განპირობებულია ორგანიზმების ზრდა-განვითარება, მემკვიდრეობითი ინფორმაციის შენახვა და გადაცემა, ცოცხალ უჯრედებში ენერგიის გარდაქმნა და სხვა ფენომენები... დიდი ენციკლოპედიური ლექსიკონი

თანამედროვე ენციკლოპედია

მოლეკულური ბიოლოგია, ცოცხალი ორგანიზმების შემადგენელი მოლეკულების სტრუქტურისა და ფუნქციის ბიოლოგიური შესწავლა. კვლევის ძირითადი სფეროები მოიცავს ცილების და ნუკლეინის მჟავების ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს, როგორიცაა დნმ. იხილეთ ასევე… … სამეცნიერო და ტექნიკური ენციკლოპედიური ლექსიკონი

ბიოლოგიის განყოფილება, რომელიც იკვლევს სიცოცხლის ძირითად თვისებებსა და გამოვლინებებს მოლეკულურ დონეზე. აღმოაჩენს, თუ როგორ და რამდენად ხდება ორგანიზმების ზრდა-განვითარება, მემკვიდრეობითი ინფორმაციის შენახვა და გადაცემა, ცოცხალ უჯრედებში ენერგიის გარდაქმნა და ... ... მიკრობიოლოგიის ლექსიკონი

მოლეკულური ბიოლოგია- — ბიოტექნოლოგიის თემები EN მოლეკულური ბიოლოგია… ტექნიკური მთარგმნელის სახელმძღვანელო

Მოლეკულური ბიოლოგია- მოლეკულური ბიოლოგია, იკვლევს სიცოცხლის ძირითად თვისებებსა და გამოვლინებებს მოლეკულურ დონეზე. აღმოაჩენს, თუ როგორ და რამდენად ხდება ორგანიზმების ზრდა-განვითარება, მემკვიდრეობითი ინფორმაციის შენახვა და გადაცემა, ცოცხალ უჯრედებში ენერგიის გარდაქმნა და ... ... ილუსტრირებული ენციკლოპედიური ლექსიკონი

ამ ტერმინს სხვა მნიშვნელობა აქვს, იხილეთ მოლეკულური ბიოლოგია (ჟურნალი). მოლეკულური ბიოლოგია არის ბიოლოგიური მეცნიერებათა კომპლექსი, რომელიც სწავლობს გენეტიკური ინფორმაციის შენახვის, გადაცემის და განხორციელების მექანიზმებს, სტრუქტურასა და ფუნქციებს ... ... ვიკიპედია

მეცნიერება, რომელიც თავის ამოცანას ადგენს ცხოვრებისეული ფენომენების ბუნების ცოდნას ბიოლოგიური ობიექტებისა და სისტემების შესწავლით მოლეკულურ დონესთან მიახლოებულ დონეზე და ზოგიერთ შემთხვევაში ამ ზღვარს აღწევს. ამის საბოლოო მიზანია...... დიდი საბჭოთა ენციკლოპედია

იგი სწავლობს სიცოცხლის მოვლენებს მაკრომოლეკულების (ჩ. არრ. ცილები და ნუკლეინის მჟავები) დონეზე უჯრედისუფალ სტრუქტურებში (რიბოსომები და სხვ.), ვირუსებში და ასევე უჯრედებში. მ-ის დანიშნულება. ამ მაკრომოლეკულების ფუნქციონირების როლისა და მექანიზმის დადგენა ... ... ქიმიური ენციკლოპედია

იკვლევს სიცოცხლის ძირითად თვისებებსა და გამოვლინებებს მოლეკულურ დონეზე. აღმოაჩენს, თუ როგორ და რამდენად ხდება ორგანიზმების ზრდა-განვითარება, მემკვიდრეობითი ინფორმაციის შენახვა და გადაცემა, ცოცხალ უჯრედებში ენერგიის გარდაქმნა და სხვა ფენომენები ... ... ენციკლოპედიური ლექსიკონი

შეიძლება ითქვას, რომ მოლეკულური ბიოლოგია სწავლობს სიცოცხლის გამოვლინებებს უსულო სტრუქტურებზე ან სისტემებზე სასიცოცხლო აქტივობის ელემენტარული ნიშნებით (ეს შეიძლება იყოს ინდივიდუალური ბიოლოგიური მაკრომოლეკულები, მათი კომპლექსები ან ორგანელები), სწავლობს, თუ როგორ ხდება ცოცხალი მატერიის დამახასიათებელი ძირითადი პროცესები ქიმიური საშუალებით. ურთიერთქმედებები და გარდაქმნები.

მოლეკულური ბიოლოგიის გამოყოფა ბიოქიმიიდან მეცნიერების დამოუკიდებელ სფეროდ ნაკარნახევია იმით, რომ მისი მთავარი ამოცანაა სხვადასხვა პროცესებში ჩართული ბიოლოგიური მაკრომოლეკულების სტრუქტურისა და თვისებების შესწავლა, მათი ურთიერთქმედების მექანიზმების გარკვევა. ბიოქიმია, მეორე მხრივ, ეხება სასიცოცხლო აქტივობის ფაქტობრივი პროცესების შესწავლას, ცოცხალ ორგანიზმში მათი მიმდინარეობის ნიმუშებს და ამ პროცესების თანმხლები მოლეკულების გარდაქმნებს. საბოლოო ჯამში, მოლეკულური ბიოლოგია ცდილობს უპასუხოს კითხვას, თუ რატომ ხდება ესა თუ ის პროცესი, ხოლო ბიოქიმია პასუხობს კითხვებს, თუ სად და როგორ, ქიმიის თვალსაზრისით, ხდება ეს პროცესი.

ისტორია

მოლეკულური ბიოლოგია, როგორც ბიოქიმიის ცალკეული სფერო, ფორმირება დაიწყო 1930-იან წლებში. სწორედ მაშინ გაჩნდა სიცოცხლის ფენომენის უფრო ღრმა გაგებისთვის საჭიროება ცოცხალ ორგანიზმებში მემკვიდრეობითი ინფორმაციის შენახვისა და გადაცემის პროცესების მოლეკულურ დონეზე მიზანმიმართული კვლევების ჩატარება. შემდეგ განისაზღვრა მოლეკულური ბიოლოგიის ამოცანა ნუკლეინის მჟავებისა და ცილების სტრუქტურის, თვისებებისა და ურთიერთქმედების შესწავლაში. ტერმინი "მოლეკულური ბიოლოგია" პირველად გამოიყენა ინგლისელმა მეცნიერმა უილიამ ასტბერიმ კვლევის კონტექსტში, რომელიც დაკავშირებულია მოლეკულურ სტრუქტურასა და ფიბრილარული ცილების ფიზიკურ და ბიოლოგიურ თვისებებს შორის კავშირის გარკვევაში, როგორიცაა კოლაგენი, სისხლის ფიბრინი ან კუნთების შეკუმშვა ცილები. .

მოლეკულური ბიოლოგიის ადრეულ დღეებში რნმ განიხილებოდა მცენარეებისა და სოკოების კომპონენტად, ხოლო დნმ განიხილებოდა როგორც ცხოველური უჯრედების ტიპიური კომპონენტი. პირველი მკვლევარი, რომელმაც დაამტკიცა, რომ დნმ მცენარეებშია ნაპოვნი, იყო ანდრეი ნიკოლაევიჩ ბელოზერსკი, რომელმაც გამოყო ბარდის დნმ 1935 წელს. ამ აღმოჩენამ დაადგინა ის ფაქტი, რომ დნმ არის უნივერსალური ნუკლეინის მჟავა, რომელიც გვხვდება მცენარეთა და ცხოველთა უჯრედებში.

მთავარი მიღწევა იყო ჯორჯ ბიდლისა და ედვარდ ტატუმის მიერ გენებსა და ცილებს შორის პირდაპირი მიზეზობრივი კავშირის დამყარება. მათ ექსპერიმენტებში მათ გამოავლინეს ნეიროსპორული უჯრედები ( ნეიროსპორაკრასა) რენტგენის ზემოქმედება, რამაც გამოიწვია მუტაციები. მიღებულმა შედეგებმა აჩვენა, რომ ამან გამოიწვია კონკრეტული ფერმენტების თვისებების ცვლილება.

1940 წელს ალბერ კლოდმა გამოყო ციტოპლაზმური რნმ-ის შემცველი გრანულები ცხოველური უჯრედების ციტოპლაზმიდან, რომლებიც უფრო მცირე იყო ვიდრე მიტოქონდრიები. მან მათ მიკროზომები უწოდა. შემდგომში იზოლირებული ნაწილაკების სტრუქტურისა და თვისებების შესწავლისას დადგინდა მათი ფუნდამენტური როლი ცილების ბიოსინთეზის პროცესში. 1958 წელს ამ ნაწილაკებისადმი მიძღვნილ პირველ სიმპოზიუმზე გადაწყდა, რომ ამ ნაწილაკებს რიბოსომები ეწოდოს.

მოლეკულური ბიოლოგიის განვითარების კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ნაბიჯი იყო 1944 წელს ოსვალდ ევერის, კოლინ მაკლეოდისა და მაკლინ მაკართის ექსპერიმენტის გამოქვეყნებული მონაცემები, რომელმაც აჩვენა, რომ დნმ არის ბაქტერიული ტრანსფორმაციის მიზეზი. ეს იყო პირველი ექსპერიმენტული მტკიცებულება დნმ-ის როლის შესახებ მემკვიდრეობითი ინფორმაციის გადაცემაში, რაც არღვევს ადრინდელ იდეას გენების ცილოვანი ბუნების შესახებ.

1950-იანი წლების დასაწყისში ფრედერიკ სენგერმა აჩვენა, რომ ცილოვანი ჯაჭვი არის ამინომჟავების ნარჩენების უნიკალური თანმიმდევრობა. 1950-იანი წლების ბოლოს მაქს პერუცმა და ჯონ კენდრიუმ გაშიფრეს პირველი ცილების სივრცითი სტრუქტურა. უკვე 2000 წელს ცნობილი იყო ასობით ათასი ბუნებრივი ამინომჟავების თანმიმდევრობა და ცილების ათასობით სივრცითი სტრუქტურა.

დაახლოებით ამავე დროს, ერვინ ჩარგაფის კვლევამ მას საშუალება მისცა ჩამოეყალიბებინა წესები, რომლებიც აღწერდნენ დნმ-ში აზოტოვანი ფუძეების თანაფარდობას (წესები ამბობენ, რომ დნმ-ში სახეობების განსხვავებების მიუხედავად, გუანინის რაოდენობა უდრის ციტოზინის რაოდენობას და ადენინის რაოდენობას. უდრის მათინის რაოდენობას), რამაც შემდგომში ხელი შეუწყო მოლეკულურ ბიოლოგიაში უდიდესი გარღვევას და ზოგადად ბიოლოგიაში ერთ-ერთ უდიდეს აღმოჩენას.

ეს მოვლენა მოხდა 1953 წელს, როდესაც ჯეიმს უოტსონი და ფრენსის კრიკი, როზალინდ ფრანკლინისა და მორის უილკინსის ნაშრომზე დაყრდნობით. რენტგენის დიფრაქციული ანალიზიდნმ-მა დაადგინა დნმ-ის მოლეკულის ორჯაჭვიანი სტრუქტურა. ამ აღმოჩენამ შესაძლებელი გახადა პასუხის გაცემა ფუნდამენტურ კითხვაზე მემკვიდრეობითი ინფორმაციის მატარებლის თვითრეპროდუცირების უნარისა და ამგვარი ინფორმაციის გადაცემის მექანიზმის გაგების შესახებ. ამავე მეცნიერებმა ჩამოაყალიბეს აზოტოვანი ფუძეების კომპლემენტარობის პრინციპი, რომელსაც საკვანძო მნიშვნელობა აქვს სუპრამოლეკულური სტრუქტურების ფორმირების მექანიზმის გასაგებად. ეს პრინციპი, რომელიც ახლა გამოიყენება ყველა მოლეკულური კომპლექსის აღსაწერად, შესაძლებელს ხდის აღწეროს და იწინასწარმეტყველოს სუსტი (არავალენტური) ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების გაჩენის პირობები, რაც განსაზღვრავს მეორადი, მესამეული და ა.შ. მაკრომოლეკულების სტრუქტურები, სუპრამოლეკულური ბიოლოგიური სისტემების თვითშეკრება, რომელიც განსაზღვრავს მოლეკულური სტრუქტურების მრავალფეროვნებას და მათ ფუნქციურ კომპლექტს. შემდეგ, 1953 წელს, გამოჩნდა სამეცნიერო ჟურნალი Journal of Molecular Biology. მას ხელმძღვანელობდა ჯონ კენდრიუ, რომლის სამეცნიერო ინტერესის სფერო იყო გლობულური ცილების სტრუქტურის შესწავლა (ნობელის პრემია 1962 წელს, მაქს პერუცთან ერთად). მსგავსი რუსულენოვანი ჟურნალი სახელწოდებით Molecular Biology დაარსდა სსრკ-ში V.A. Engelhardt-ის მიერ 1966 წელს.

1958 წელს ფრენსის კრიკმა ჩამოაყალიბა ე.წ. მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური დოგმა: გენეტიკური ინფორმაციის ნაკადის შეუქცევადობის იდეა დნმ-დან რნმ-ის გავლით ცილებამდე სქემის მიხედვით დნმ → დნმ (რეპლიკაცია, დნმ-ის ასლის შექმნა), დნმ → რნმ (ტრანსკრიფცია, გენების კოპირება), რნმ → ცილა (თარგმანი, ცილების სტრუქტურის შესახებ ინფორმაციის გაშიფვრა). ეს დოგმა გარკვეულწილად გამოსწორდა 1970 წელს, დაგროვილი ცოდნის გათვალისწინებით, რადგან საპირისპირო ტრანსკრიფციის ფენომენი დამოუკიდებლად აღმოაჩინეს ჰოვარდ ტემინმა და დევიდ ბალტიმორმა: აღმოაჩინეს ფერმენტი - საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა, რომელიც პასუხისმგებელია საპირისპირო ტრანსკრიპციის განხორციელებაზე - ორჯაჭვიანი დნმ-ის წარმოქმნა ერთჯაჭვიანი რნმ-ის შაბლონზე, რომელიც ჩნდება ონკოგენურ ვირუსებში. უნდა აღინიშნოს, რომ ნუკლეინის მჟავებიდან ცილებამდე გენეტიკური ინფორმაციის ნაკადის მკაცრი აუცილებლობა კვლავ რჩება მოლეკულური ბიოლოგიის საფუძვლად.

1957 წელს ალექსანდრე სერგეევიჩ სპირინმა ანდრეი ნიკოლაევიჩ ბელოზერსკისთან ერთად აჩვენა, რომ, მიუხედავად სხვადასხვა ორგანიზმების დნმ-ის ნუკლეოტიდის შემადგენლობაში მნიშვნელოვანი განსხვავებებისა, მთლიანი რნმ-ის შემადგენლობა მსგავსია. ამ მონაცემების საფუძველზე, ისინი მივიდნენ სენსაციურ დასკვნამდე, რომ უჯრედის მთლიანი რნმ არ შეუძლია იმოქმედოს როგორც გენეტიკური ინფორმაციის გადამზიდავი დნმ-დან ცილებამდე, რადგან ის არ შეესაბამება მას თავისი შემადგენლობით. ამავე დროს, მათ შენიშნეს, რომ არსებობს რნმ-ის უმნიშვნელო ფრაქცია, რომელიც სრულად შეესაბამება მისი ნუკლეოტიდური შემადგენლობით დნმ-ს და რომელიც შეიძლება იყოს გენეტიკური ინფორმაციის ნამდვილი მატარებელი დნმ-დან ცილებამდე. შედეგად, მათ იწინასწარმეტყველეს შედარებით მცირე რნმ-ის მოლეკულების არსებობა, რომლებიც სტრუქტურით ანალოგიურია დნმ-ის ცალკეული სექციებისთვის და მოქმედებენ როგორც შუამავლები დნმ-ში შემავალი გენეტიკური ინფორმაციის რიბოსომაში გადაცემაში, სადაც ცილის მოლეკულები სინთეზირდება ამ ინფორმაციის გამოყენებით. 1961 წელს (ს. ბრენერი, ფ. იაკობი, მ. მესელსონი ერთი მხრივ და ფ. გროსი, ფრანსუა იაკობი და ჟაკ მონო პირველებმა ექსპერიმენტულად დაადასტურეს ასეთი მოლეკულების - ინფორმაციული (მატრიცული) რნმ. ამავე დროს. მათ შეიმუშავეს დნმ-ის ფუნქციური ერთეულების - ოპერონის კონცეფცია და მოდელი, რამაც შესაძლებელი გახადა ზუსტად აეხსნა, თუ როგორ ხდება გენის ექსპრესიის რეგულირება პროკარიოტებში. ცილების ბიოსინთეზის მექანიზმების და სტრუქტურული ორგანიზაციის პრინციპების შესწავლა და მოლეკულური მანქანების - რიბოზომების მუშაობამ შესაძლებელი გახადა გენეტიკური ინფორმაციის მოძრაობის აღწერის პოსტულატის ჩამოყალიბება, რომელსაც ეწოდება მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური დოგმა: დნმ - mRNA არის ცილა.

1961 წელს და მომდევნო რამდენიმე წლის განმავლობაში ჰაინრიხ მატეიმ და მარშალ ნირენბერგმა, შემდეგ კი ჰარ კორანამ და რობერტ ჰოლიმ ჩაატარეს რამდენიმე სამუშაო გენეტიკური კოდის გასაშიფრად, რის შედეგადაც დამყარდა პირდაპირი კავშირი დნმ-ის სტრუქტურასა და სინთეზირებულ ცილებს შორის. და ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა, რომელიც განსაზღვრავს ამინომჟავების კომპლექტს ცილაში. ასევე მიღებული იქნა მონაცემები გენეტიკური კოდის უნივერსალურობის შესახებ. აღმოჩენებს მიენიჭა ნობელის პრემია 1968 წელს.

რნმ-ის ფუნქციების შესახებ თანამედროვე იდეების განვითარებისთვის, არაკოდიციური რნმ-ის აღმოჩენა, რომელიც გაკეთდა ალექსანდრე სერგეევიჩ სპირინის მუშაობის შედეგების საფუძველზე ანდრეი ნიკოლაევიჩ ბელოზერსკისთან ერთად 1958 წელს, ჩარლზ ბრენერთან ერთად თანაავტორებთან და საულთან ერთად. შპიგელმანი 1961 წელს გადამწყვეტი იყო. ამ ტიპის რნმ შეადგენს უჯრედული რნმ-ის ძირითად ნაწილს. რიბოსომული რნმ, ძირითადად, არაკოდიციურია.

ცხოველური უჯრედების კულტივირებისა და ჰიბრიდიზაციის მეთოდებმა სერიოზული განვითარება მიიღო. 1963 წელს ფრანსუა იაკობმა და სიდნეი ბრენერმა ჩამოაყალიბეს რეპლიკონის იდეა, გენების თანმიმდევრობა, რომელიც ასახავს გენის რეპლიკაციის რეგულირების მნიშვნელოვან ასპექტებს.

1967 წელს A.S. Spirin-ის ლაბორატორიაში პირველად აჩვენეს, რომ კომპაქტურად დაკეცილი რნმ-ის ფორმა განსაზღვრავს რიბოსომური ნაწილაკების მორფოლოგიას.

1968 წელს მნიშვნელოვანი ფუნდამენტური აღმოჩენა გაკეთდა. ოკაზაკიმ, რომელმაც აღმოაჩინა ჩამორჩენილი ჯაჭვის დნმ-ის ფრაგმენტები რეპლიკაციის პროცესის შესწავლისას, რომელსაც ოკაზაკის ფრაგმენტები დაარქვა, განმარტა დნმ-ის რეპლიკაციის მექანიზმი.

1970 წელს ჰოვარდ ტემინმა და დევიდ ბალტიმორმა დამოუკიდებლად გააკეთეს მნიშვნელოვანი აღმოჩენა: აღმოაჩინეს ფერმენტი - საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა, რომელიც პასუხისმგებელია საპირისპირო ტრანსკრიპციის განხორციელებაზე - ორჯაჭვიანი დნმ-ის წარმოქმნაზე ერთჯაჭვიანი რნმ-ის შაბლონზე, რომელიც ხდება რნმ-ის შემცველი ონკოგენური ვირუსები.

მოლეკულური ბიოლოგიის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მიღწევა იყო მუტაციების მექანიზმის ახსნა მოლეკულურ დონეზე. მთელი რიგი კვლევების შედეგად დადგინდა მუტაციების ძირითადი ტიპები: დუბლირება, ინვერსია, წაშლა, ტრანსლოკაცია და ტრანსპოზიცია. ამან შესაძლებელი გახადა ევოლუციური ცვლილებების განხილვა გენის პროცესების თვალსაზრისით და შესაძლებელი გახადა მოლეკულური საათების თეორიის შემუშავება, რომელიც გამოიყენება ფილოგენიაში.

1970-იანი წლების დასაწყისისთვის ჩამოყალიბდა ცოცხალ ორგანიზმში ნუკლეინის მჟავების და ცილების ფუნქციონირების ძირითადი პრინციპები. დადგინდა, რომ ორგანიზმში ცილები და ნუკლეინის მჟავები სინთეზირდება მატრიცის მექანიზმის მიხედვით, მატრიცის მოლეკულა ატარებს დაშიფრულ ინფორმაციას ამინომჟავების (ცილაში) ან ნუკლეოტიდების (ნუკლეინის მჟავაში) თანმიმდევრობის შესახებ. რეპლიკაციის (დნმ-ის გაორმაგების) ან ტრანსკრიფციის (მრნმ-ის სინთეზის) დროს დნმ ემსახურება ასეთ შაბლონს, ტრანსლაციის (ცილის სინთეზის) ან საპირისპირო ტრანსკრიფციის დროს - mRNA.

ამრიგად, შეიქმნა თეორიული წინაპირობები მოლეკულური ბიოლოგიის გამოყენებითი სფეროების, კერძოდ, გენეტიკური ინჟინერიის განვითარებისათვის. 1972 წელს პოლ ბერგმა, ჰერბერტ ბაუერმა და სტენლი კოენმა შეიმუშავეს მოლეკულური კლონირების ტექნოლოგია. შემდეგ მათ პირველებმა მიიღეს რეკომბინანტული დნმ in vitro. ამ გამორჩეულმა ექსპერიმენტებმა საფუძველი ჩაუყარა გენური ინჟინერიას და ეს წელი ითვლება ამ სამეცნიერო მიმართულების დაბადების თარიღად.

1977 წელს ფრედერიკ სენგერმა და დამოუკიდებლად ალან მაქსუმმა და ვალტერ გილბერტმა შეიმუშავეს დნმ-ის პირველადი სტრუქტურის (თანმიმდევრობის) განსაზღვრის სხვადასხვა მეთოდი. სანგერის მეთოდი, ეგრეთ წოდებული ჯაჭვის შეწყვეტის მეთოდი, არის თანამედროვე თანმიმდევრობის მეთოდის საფუძველი. თანმიმდევრობის პრინციპი ემყარება ეტიკეტირებული ბაზების გამოყენებას, რომლებიც მოქმედებენ როგორც ტერმინატორები ციკლური თანმიმდევრობის რეაქციაში. ეს მეთოდი ფართოდ გავრცელდა ანალიზის სწრაფად ჩატარების შესაძლებლობის გამო.

1976 – ფრედერიკ. სენგერმა გაშიფრა φΧ174 ფაგის დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა 5375 ნუკლეოტიდური წყვილის სიგრძით.

1981 წელი - ნამგლისებრუჯრედოვანი ანემია ხდება პირველი გენეტიკური დაავადება, რომლის დიაგნოზიც დნმ-ის ტესტირებით დადგინდა.

1982-1983 წლებში რნმ-ის კატალიზური ფუნქციის აღმოჩენამ T. Check-ისა და S. Altman-ის ამერიკულ ლაბორატორიებში შეცვალა არსებული იდეები ცილების ექსკლუზიური როლის შესახებ. კატალიზური ცილების - ფერმენტების ანალოგიით, კატალიზურ რნმ-ებს რიბოზიმები ეძახდნენ.

1987 კერი მულეზმა აღმოაჩინა პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია, რომლის წყალობითაც შესაძლებელია ხსნარში დნმ-ის მოლეკულების რაოდენობის ხელოვნურად გაზრდა შემდგომი მუშაობისთვის. დღეს ეს არის მოლეკულური ბიოლოგიის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდი, რომელიც გამოიყენება მემკვიდრეობითი და ვირუსული დაავადებების შესწავლაში, გენების შესწავლაში და გენეტიკური იდენტიფიკაციისა და ნათესაობის და ა.შ.

1990 წელს, ამავე დროს, მეცნიერთა სამმა ჯგუფმა გამოაქვეყნა მეთოდი, რამაც შესაძლებელი გახადა ლაბორატორიაში სინთეზური ფუნქციურად აქტიური რნმ-ების სწრაფად მიღება (ხელოვნური რიბოზიმები ან მოლეკულები, რომლებიც ურთიერთქმედებენ სხვადასხვა ლიგანდებთან - აპტამერებთან). ამ მეთოდს „ევოლუცია ინ ვიტრო“ ჰქვია. და ამის შემდეგ მალევე, 1991-1993 წლებში ა.ბ.-ს ლაბორატორიაში. ჩეტვერინას ექსპერიმენტულად აჩვენეს რნმ-ის მოლეკულების არსებობის, ზრდისა და გაძლიერების შესაძლებლობა კოლონიების სახით მყარ მედიაზე.

1998 წელს, თითქმის ერთდროულად, კრეიგ მელომ და ენდრიუ ფირმა აღწერეს მექანიზმი, რომელიც ადრე დაფიქსირდა გენის ექსპერიმენტებში ბაქტერიებსა და ყვავილებზე. რნმ ჩარევა, რომელშიც მცირე ორჯაჭვიანი რნმ-ის მოლეკულა იწვევს გენის ექსპრესიის სპეციფიკურ ჩახშობას.

რნმ-ის ჩარევის მექანიზმის აღმოჩენას დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგიისთვის. ეს ფენომენი ფართოდ გამოიყენება სამეცნიერო ექსპერიმენტებში, როგორც "გამორთვის", ანუ ცალკეული გენების გამოხატვის ჩახშობის საშუალება. განსაკუთრებით საინტერესოა ის ფაქტი, რომ ეს მეთოდი შესასწავლი გენების აქტივობის შექცევად (დროებით) ჩახშობის საშუალებას იძლევა. მიმდინარეობს კვლევა ამ ფენომენის ვირუსული, ნეოპლასტიკური, დეგენერაციული და მეტაბოლური დაავადებების სამკურნალოდ გამოსაყენებლად. უნდა აღინიშნოს, რომ 2002 წელს აღმოაჩინეს პოლიომიელიტის ვირუსების მუტანტები, რომლებსაც შეუძლიათ რნმ-ის ჩარევის თავიდან აცილება, ამიტომ ამ ფენომენზე დაფუძნებული ჭეშმარიტად ეფექტური მკურნალობის შემუშავებისთვის საჭიროა მეტი შრომატევადი მუშაობა.

1999-2001 წლებში მკვლევართა რამდენიმე ჯგუფმა დაადგინა ბაქტერიული რიბოსომის სტრუქტურა 5,5-დან 2,4 ანგსტრომამდე გარჩევადობით.

ელემენტი

მოლეკულური ბიოლოგიის მიღწევები ცოცხალი ბუნების ცოდნაში ძნელად შეიძლება გადაჭარბებული იყოს. დიდი წარმატება მიღწეულია წარმატებული კვლევის კონცეფციის წყალობით: რთული ბიოლოგიური პროცესები განიხილება ცალკეული მოლეკულური სისტემების თვალსაზრისით, რაც შესაძლებელს ხდის ზუსტი ფიზიკოქიმიური კვლევის მეთოდების გამოყენებას. მან ასევე მიიპყრო მრავალი დიდი გონება დაკავშირებული სფეროებიდან მეცნიერების ამ სფეროში: ქიმია, ფიზიკა, ციტოლოგია, ვირუსოლოგია, რამაც ასევე სასარგებლო გავლენა მოახდინა ამ სფეროში სამეცნიერო ცოდნის განვითარების მასშტაბებსა და სიჩქარეზე. ისეთმა მნიშვნელოვანმა აღმოჩენებმა, როგორიცაა დნმ-ის სტრუქტურის განსაზღვრა, გენეტიკური კოდის გაშიფვრა და გენომის ხელოვნურად მიმართული მოდიფიკაცია, შესაძლებელი გახადა ორგანიზმების განვითარების პროცესების უფრო ღრმად გაგება და მრავალი მნიშვნელოვანი ფუნდამენტური და წარმატებით გადაჭრა. გამოყენებითი სამეცნიერო, სამედიცინო და სოციალური პრობლემები, რომლებიც გადაუჭრელად ითვლებოდა არც ისე დიდი ხნის წინ.

მოლეკულური ბიოლოგიის შესწავლის საგანია ძირითადად ცილები, ნუკლეინის მჟავები და მათზე დაფუძნებული მოლეკულური კომპლექსები (მოლეკულური მანქანები) და პროცესები, რომლებშიც ისინი მონაწილეობენ.

ნუკლეინის მჟავები არის ხაზოვანი პოლიმერები, რომლებიც შედგება ნუკლეოტიდური ერთეულებისგან (ხუთწევრიანი შაქრის ნაერთები ციკლის მეხუთე ატომში ფოსფატის ჯგუფთან და ოთხი აზოტოვანი ბაზიდან ერთ-ერთით), რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული ფოსფატური ჯგუფების ეთერული კავშირით. ამრიგად, ნუკლეინის მჟავა არის პენტოზა ფოსფატის პოლიმერი, რომელსაც აქვს აზოტოვანი ბაზები, როგორც გვერდითი შემცვლელები. რნმ-ის ჯაჭვის ქიმიური შემადგენლობა განსხვავდება დნმ-ისგან იმით, რომ პირველი შედგება ხუთწევრიანი რიბოზის ნახშირწყლების ციკლისგან, ხოლო მეორე შედგება დეჰიდროქსილირებული რიბოზის წარმოებულებისგან, დეოქსირიბოზასგან. ამავდროულად, ეს მოლეკულები მკვეთრად განსხვავდება სივრცეში, ვინაიდან რნმ არის მოქნილი ერთჯაჭვიანი მოლეკულა, ხოლო დნმ არის ორჯაჭვიანი მოლეკულა.

პროტეინები არის ხაზოვანი პოლიმერები, რომლებიც წარმოადგენენ ალფა-ამინომჟავების ჯაჭვებს, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული პეპტიდური კავშირით, აქედან მოდის მათი მეორე სახელი - პოლიპეპტიდები. ბუნებრივი ცილების შემადგენლობა მოიცავს ბევრ განსხვავებულ ამინომჟავას ერთეულს - ადამიანებში 20-მდე -, რაც განსაზღვრავს ამ მოლეკულების მრავალფეროვან ფუნქციურ თვისებებს. ესა თუ ის ცილები მონაწილეობენ ორგანიზმის თითქმის ყველა პროცესში და ასრულებენ მრავალ დავალებას: ისინი ასრულებენ უჯრედული სამშენებლო მასალის როლს, უზრუნველყოფენ ნივთიერებებისა და იონების ტრანსპორტირებას, ახორციელებენ ქიმიურ რეაქციებს - ეს სია ძალიან გრძელია. ცილები ქმნიან ორგანიზაციის სხვადასხვა დონის (მეორადი და მესამეული სტრუქტურები) და მოლეკულური კომპლექსების სტაბილურ მოლეკულურ კონფორმაციებს, რაც კიდევ უფრო აფართოებს მათ ფუნქციონირებას. ამ მოლეკულებს შეიძლება ჰქონდეთ მაღალი სპეციფიკა გარკვეული ამოცანების შესასრულებლად რთული სივრცითი გლობულური სტრუქტურის ფორმირების გამო. ცილების მრავალფეროვნება უზრუნველყოფს მეცნიერთა მუდმივ ინტერესს ამ სახის მოლეკულების მიმართ.

თანამედროვე იდეები მოლეკულური ბიოლოგიის საგნის შესახებ ეფუძნება განზოგადებას, რომელიც პირველად წამოაყენა 1958 წელს ფრენსის კრიკმა, როგორც მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური დოგმა. მისი არსი იყო იმის მტკიცება, რომ ცოცხალ ორგანიზმებში გენეტიკური ინფორმაცია გადის განხორციელების მკაცრად განსაზღვრულ ეტაპებს: დნმ-დან დნმ-ზე გადაწერა მემკვიდრეობის შესასვლელში, დნმ-დან რნმ-ში და შემდეგ რნმ-დან ცილაზე, და საპირისპირო გადასვლა შეუძლებელია. ეს განცხადება მხოლოდ ნაწილობრივ იყო ჭეშმარიტი, ამიტომ, შემდგომში, ცენტრალური დოგმა გასწორდა ახლად აღმოჩენილი მონაცემების გათვალისწინებით.

ამ დროისთვის, არსებობს გენეტიკური მასალის განხორციელების რამდენიმე გზა, რომელიც წარმოადგენს სხვადასხვა თანმიმდევრობას გენეტიკური ინფორმაციის არსებობის სამი ტიპის განსახორციელებლად: დნმ, რნმ და ცილა. რეალიზაციის ცხრა შესაძლო ხერხში გამოყოფენ სამ ჯგუფს: ეს არის სამი ზოგადი ტრანსფორმაცია (ზოგადი), რომლებიც ნორმალურად ხორციელდება ცოცხალ ორგანიზმების უმეტესობაში; სამი სპეციალური ტრანსფორმაცია (სპეციალური), განხორციელებული ზოგიერთ ვირუსში ან სპეციალურ ლაბორატორიულ პირობებში; სამი უცნობი ტრანსფორმაცია (უცნობი), რომელთა განხორციელება შეუძლებლად ითვლება.

გავრცელებული გარდაქმნები მოიცავს გენეტიკური კოდის განხორციელების შემდეგ გზებს: დნმ→დნმ (რეპლიკაცია), დნმ→რნმ (ტრანსკრიფცია), რნმ→ცილა (თარგმანი).

მემკვიდრეობითი თვისებების გადაცემის განსახორციელებლად, მშობლებმა უნდა გადასცენ სრულფასოვანი დნმ-ის მოლეკულა მათ შთამომავლებს. პროცესს, რომლითაც შესაძლებელია ორიგინალური დნმ-ის ზუსტი ასლის სინთეზირება და, შესაბამისად, გენეტიკური მასალის გადატანა, რეპლიკაცია ეწოდება. მას ახორციელებენ სპეციალური ცილები, რომლებიც ხსნიან მოლეკულას (ასწორებენ მის მონაკვეთს), ხსნიან ორმაგ სპირალს და დნმ პოლიმერაზას გამოყენებით ქმნიან ორიგინალური დნმ-ის მოლეკულის ზუსტ ასლს.

უჯრედის სიცოცხლის უზრუნველსაყოფად, მას მუდმივად სჭირდება დნმ-ის ორმაგ სპირალში ჩადებული გენეტიკური კოდი. თუმცა, ეს მოლეკულა ძალიან დიდი და მოუხერხებელია იმისათვის, რომ გამოიყენოს გენეტიკური მასალის პირდაპირი წყარო ცილების უწყვეტი სინთეზისთვის. მაშასადამე, დნმ-ში ჩადებული ინფორმაციის განხორციელების პროცესში, არსებობს შუალედური ეტაპი: mRNA-ს სინთეზი, რომელიც წარმოადგენს მცირე ერთჯაჭვიანი მოლეკულას, რომელიც ავსებს დნმ-ის გარკვეულ სეგმენტს, რომელიც აკოდირებს გარკვეულ ცილას. ტრანსკრიფციის პროცესს უზრუნველყოფს რნმ პოლიმერაზა და ტრანსკრიფციის ფაქტორები. შედეგად მიღებული მოლეკულა შეიძლება ადვილად გადაეცეს ცილის სინთეზზე პასუხისმგებელი უჯრედის ნაწილს - რიბოსომას.

რნმ-ის რიბოსომაში შესვლის შემდეგ იწყება გენეტიკური ინფორმაციის რეალიზაციის ბოლო ეტაპი. ამ შემთხვევაში, რიბოსომა კითხულობს გენეტიკურ კოდს mRNA-დან სამეულებად, რომლებსაც კოდონები ეწოდება და მიღებული ინფორმაციის საფუძველზე ასინთეზებს შესაბამის ცილას.

სპეციალური გარდაქმნების დროს გენეტიკური კოდი რეალიზდება სქემის მიხედვით რნმ → რნმ (რეპლიკაცია), რნმ → დნმ (უკუ ტრანსკრიფცია), დნმ → ცილა (პირდაპირი ტრანსლაცია). ამ ტიპის რეპლიკაცია ხორციელდება ბევრ ვირუსში, სადაც მას ახორციელებს ფერმენტი რნმ-დამოკიდებული რნმ პოლიმერაზა. მსგავსი ფერმენტები ასევე გვხვდება ევკარიოტულ უჯრედებში, სადაც ისინი დაკავშირებულია რნმ-ის გაჩუმების პროცესთან. საპირისპირო ტრანსკრიფცია აღმოჩენილია რეტროვირუსებში, სადაც მას ახორციელებს ფერმენტი საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა, ზოგიერთ შემთხვევაში კი ევკარიოტულ უჯრედებში, მაგალითად, ტელომერული სინთეზის დროს. ცოცხალი გადაცემა ხორციელდება მხოლოდ ხელოვნურ პირობებში უჯრედის გარეთ იზოლირებულ სისტემაში.

გენეტიკური ინფორმაციის სამი შესაძლო გადასვლა ცილიდან ცილაზე, რნმ-ზე ან დნმ-ზე შეუძლებლად ითვლება. პროტეინებზე პრიონების მოქმედების შემთხვევა, რის შედეგადაც წარმოიქმნება მსგავსი პრიონი, პირობითად შეიძლება მივაწეროთ გენეტიკური ინფორმაციის პროტეინის → ცილის რეალიზაციის ტიპს. თუმცა, ფორმალურად ეს ასე არ არის, რადგან ის გავლენას არ ახდენს ცილაში ამინომჟავების თანმიმდევრობაზე.

ცნობისმოყვარეა ტერმინი „ცენტრალური დოგმას“ გაჩენის ისტორია. ვინაიდან სიტყვა დოგმა ზოგადად ნიშნავს განცხადებას, რომელიც არ ექვემდებარება ეჭვს და თავად სიტყვას აქვს მკაფიო რელიგიური კონოტაცია, მისი არჩევა მეცნიერული ფაქტის აღწერად არ არის სრულიად ლეგიტიმური. თავად ფრენსის კრიკის თქმით, ეს მისი შეცდომა იყო. მას სურდა წამოყენებულ თეორიას მეტი მნიშვნელობის მინიჭება, სხვა თეორიებისა და ჰიპოთეზების ფონისგან გარჩევა; რატომ გადაწყვიტა ამ დიდებული, მისი აზრით, სიტყვის გამოყენება, არ ესმოდა მისი ნამდვილი მნიშვნელობა. თუმცა, სახელი დარჩა.

მოლეკულური ბიოლოგია დღეს

მოლეკულური ბიოლოგიის სწრაფმა განვითარებამ, საზოგადოების მხრიდან ამ სფეროში მიღწევებისადმი მუდმივმა ინტერესმა და კვლევის ობიექტურმა მნიშვნელობამ განაპირობა მოლეკულური ბიოლოგიის დიდი რაოდენობით კვლევითი ცენტრების გაჩენა მთელს მსოფლიოში. უდიდესთა შორის აღსანიშნავია: მოლეკულური ბიოლოგიის ლაბორატორია კემბრიჯში, სამეფო ინსტიტუტი ლონდონში - დიდ ბრიტანეთში; პარიზის, მარსელისა და სტრასბურგის მოლეკულური ბიოლოგიის ინსტიტუტები, პასტერის ინსტიტუტი - საფრანგეთში; ჰარვარდის უნივერსიტეტისა და მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის მოლეკულური ბიოლოგიის განყოფილებები, ბერკლის უნივერსიტეტი, კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტი, როკფელერის უნივერსიტეტი, საზოგადოებრივი ჯანმრთელობის ინსტიტუტი ბეთესდაში - აშშ-ში; მაქს პლანკის ინსტიტუტები, გიოტინგენისა და მიუნხენის უნივერსიტეტები, ბერლინის მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური ინსტიტუტი, იენისა და ჰალეს ინსტიტუტები - გერმანიაში; კაროლინსკის ინსტიტუტი სტოკჰოლმში, შვედეთი.

რუსეთში ამ სფეროში წამყვანი ცენტრებია მოლეკულური ბიოლოგიის ინსტიტუტი. ინსტიტუტი მოლეკულური გენეტიკა RAS, ინსტიტუტი გენის ბიოლოგიის RAS, ინსტიტუტი ფიზიკოქიმიური ბიოლოგიის დასახელებული V.A. A.N. ბელოზერსკის მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტი. M.V. ლომონოსოვის ბიოქიმიის ინსტიტუტი. A.N. Bach RAS და პროტეინის RAS ინსტიტუტი პუშჩინოში.

დღეს მოლეკულური ბიოლოგების ინტერესის სფერო მოიცავს ფუნდამენტური სამეცნიერო საკითხების ფართო სპექტრს. როგორც ადრე, წამყვან როლს იკავებს ნუკლეინის მჟავების სტრუქტურისა და ცილების ბიოსინთეზის შესწავლა, სხვადასხვა უჯრედშიდა სტრუქტურისა და უჯრედის ზედაპირის სტრუქტურისა და ფუნქციების შესწავლა. ასევე კვლევის მნიშვნელოვანი სფეროებია მიღებისა და სიგნალის გადაცემის მექანიზმების შესწავლა, უჯრედში ნაერთების ტრანსპორტირების მოლეკულური მექანიზმები და ასევე უჯრედიდან გარე გარემოში და უკან. გამოყენებითი მოლეკულური ბიოლოგიის სფეროში სამეცნიერო კვლევის ძირითად მიმართულებებს შორის ერთ-ერთი ყველაზე პრიორიტეტულია სიმსივნეების გაჩენისა და განვითარების პრობლემა. ასევე ძალიან მნიშვნელოვანი სფერო, რომელსაც სწავლობს მოლეკულური ბიოლოგიის განყოფილება - მოლეკულური გენეტიკა, არის მემკვიდრეობითი დაავადებების და ვირუსული დაავადებების წარმოქმნის მოლეკულური საფუძვლის შესწავლა, როგორიცაა შიდსი, ასევე მათი მეთოდების შემუშავება. პრევენცია და, შესაძლოა, მკურნალობა გენის დონეზე. სასამართლო მედიცინაში მოლეკულური ბიოლოგების აღმოჩენებმა და განვითარებამ ფართო გამოყენება ჰპოვა. ნამდვილი რევოლუცია პირადი იდენტიფიკაციის სფეროში 80-იან წლებში მოახდინეს მეცნიერებმა რუსეთიდან, აშშ-დან და დიდი ბრიტანეთიდან, „გენომიური თითის ანაბეჭდის“ მეთოდის შემუშავებისა და განხორციელების წყალობით - დნმ-ის იდენტიფიკაცია ყოველდღიურ პრაქტიკაში. ამ სფეროში კვლევები დღემდე არ ჩერდება, თანამედროვე მეთოდები შესაძლებელს ხდის დაადგინოს ადამიანი, რომლის ცდომილება პროცენტის მემილიარდედია. უკვე აქტიურად ვითარდება გენეტიკური პასპორტის პროექტი, რაც, როგორც მოსალოდნელი იყო, მნიშვნელოვნად შეამცირებს დანაშაულის დონეს.

მეთოდოლოგია

დღეს მოლეკულურ ბიოლოგიას აქვს მეთოდების ფართო არსენალი მეცნიერების წინაშე არსებული ყველაზე მოწინავე და ყველაზე რთული პრობლემების გადასაჭრელად.

ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული მეთოდი მოლეკულურ ბიოლოგიაში არის გელის ელექტროფორეზი, რომელიც წყვეტს მაკრომოლეკულების ნარევის ზომისა თუ მუხტის მიხედვით გამოყოფის პრობლემას. თითქმის ყოველთვის, გელში მაკრომოლეკულების გამოყოფის შემდეგ, გამოიყენება ბლოტი, მეთოდი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გადაიტანოთ მაკრომოლეკულები გელიდან (სორბიდან) მემბრანის ზედაპირზე, მათთან შემდგომი მუშაობის მოხერხებულობისთვის, კერძოდ, ჰიბრიდიზაციისთვის. ჰიბრიდიზაცია - ჰიბრიდული დნმ-ის ფორმირება სხვადასხვა ბუნების ორი ჯაჭვიდან - მეთოდი, რომელიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ფუნდამენტურ კვლევაში. იგი გამოიყენება დასადგენად შემავსებელისეგმენტები სხვადასხვა დნმ-ში (სხვადასხვა სახეობის დნმ), გამოიყენება ახალი გენების მოსაძებნად, მისი დახმარებით აღმოაჩინეს რნმ-ის ჩარევა და მისმა პრინციპმა საფუძველი ჩაუყარა გენომიურ თითის ანაბეჭდს.

მოლეკულური ბიოლოგიური კვლევის თანამედროვე პრაქტიკაში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სექვენირების მეთოდი - ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობის განსაზღვრა ნუკლეინის მჟავებში და ამინომჟავების ცილებში.

თანამედროვე მოლეკულური ბიოლოგია წარმოუდგენელია პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქციის (PCR) მეთოდის გარეშე. ამ მეთოდის წყალობით, ხდება გარკვეული დნმ-ის თანმიმდევრობის ასლების რაოდენობის (გაძლიერება) გაზრდა, რათა ერთი მოლეკულიდან მივიღოთ ნივთიერების საკმარისი რაოდენობა მასთან შემდგომი მუშაობისთვის. მსგავსი შედეგი მიიღწევა მოლეკულური კლონირების ტექნოლოგიით, რომლის დროსაც საჭირო ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა შეჰყავთ ბაქტერიების დნმ-ში (ცოცხალი სისტემები), რის შემდეგაც ბაქტერიების გამრავლება სასურველ შედეგამდე მიდის. ეს მიდგომა ტექნიკურად ბევრად უფრო რთულია, მაგრამ ის საშუალებას იძლევა ერთდროულად მიიღოთ შესწავლილი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის გამოხატვის შედეგი.

ასევე, მოლეკულურ ბიოლოგიურ კვლევებში ფართოდ გამოიყენება ულტრაცენტრფუგაციის მეთოდები (მაკრომოლეკულების (დიდი რაოდენობით), უჯრედების, ორგანელების განცალკევებისთვის, ელექტრონული და ფლუორესცენტური მიკროსკოპია, სპექტროფოტომეტრიული მეთოდები, რენტგენის დიფრაქციული ანალიზი, ავტორადიოგრაფია და ა.შ.

ქიმიის, ფიზიკის, ბიოლოგიისა და კომპიუტერული მეცნიერების სფეროში ტექნოლოგიური პროგრესისა და სამეცნიერო კვლევების წყალობით, თანამედროვე აღჭურვილობა შესაძლებელს ხდის ცალკეული გენების იზოლირებას, შესწავლას და შეცვლას და იმ პროცესებს, რომლებშიც ისინი მონაწილეობენ.

მოკლედ გავიხსენებ ე.წ მოლეკულური ბიოლოგიის ცენტრალური დოგმატი, თავდაპირველად ჩამოყალიბებული ფრენსის კრიკის მიერ. ზოგადად, მასში ნათქვამია, რომ გენეტიკური ინფორმაცია გადადის ნუკლეინის მჟავებიდან ცილებზე განხორციელებისას, მაგრამ არა პირიქით. უფრო კონკრეტულად, შესაძლებელია დნმ-ის გადატანა → დნმ ( რეპლიკაცია), დნმ → რნმ ( ტრანსკრიფცია) და რნმ → ცილა ( გადაცემა). ასევე არსებობს გაცილებით ნაკლებად გავრცელებული გზები, რომლებიც დამახასიათებელია ზოგიერთი ვირუსისთვის: რნმ → დნმ ( საპირისპირო ტრანსკრიფცია) და რნმ → რნმ ( რნმ რეპლიკაცია). აქვე შეგახსენებთ, რომ ცილები შედგება ამინომჟავების ნარჩენებისგან, რომელთა თანმიმდევრობა დაშიფრულია ორგანიზმის გენეტიკურ კოდში: სამი ნუკლეოტიდი (მათ ე.წ. კოდონი, ან სამეული) კოდი ერთი ამინომჟავისთვის და ერთი და იგივე ამინომჟავა შეიძლება კოდირებული იყოს რამდენიმე კოდონით.

მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარში განვითარდა ტექნოლოგიები რეკომბინანტული დნმ(ანუ დნმ-ის მანიპულირების მეთოდები, რომლებიც საშუალებას იძლევა შეცვალონ ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობა და შემადგენლობა მოლეკულაში სხვადასხვა გზით). სწორედ მათ საფუძველზე ვითარდება დღემდე ყველა მოლეკულური ბიოლოგიური მეთოდი, თუმცა ისინი ბევრად უფრო რთული გახდა, როგორც იდეოლოგიურად, ასევე ტექნოლოგიურად. სწორედ მოლეკულურმა ბიოლოგიამ გამოიწვია ბიოლოგიური ინფორმაციის რაოდენობის ასეთი სწრაფი ზრდა ბოლო ნახევარი საუკუნის განმავლობაში.

მე ვისაუბრებ დნმ-ისა და რნმ-ის მანიპულირებისა და შესწავლის მეთოდებზე და ცოტას შევეხები ცილებს, რადგან ზოგადად მათთან დაკავშირებული მეთოდები უფრო ახლოსაა ბიოქიმიასთან, ვიდრე მოლეკულურ ბიოლოგიასთან (თუმცა მათ შორის ზღვარი ბოლო დროს ძალიან ბუნდოვანი გახდა) .

ჭრა და შეკერვა

ფერმენტები არის ცილები, რომლებიც აჩქარებენ ქიმიურ რეაქციებს. ისინი ძალიან ეფექტურია: აჩქარება შეიძლება იყოს რამდენიმე რიგის მასშტაბები! მაგალითად, ფერმენტი კატალაზაწყალბადის ზეჟანგის გაყოფა, აჩქარებს რეაქციას სიდიდის დაახლოებით 12 რიგით, ანუ ტრილიონჯერ! ამავდროულად, არაორგანული კატალიზატორი - წვრილად გაფანტული პლატინი - აჩქარებს იმავე რეაქციას მხოლოდ ექვსი რიგით, ანუ მილიონჯერ. თუმცა, ეს მათი უმეტესობისთვის ძალიან მკაცრი სამუშაო პირობების ფასად ხდება.

შეზღუდვის ენდონუკლეაზები

სურათი 2. შეზღუდვის ადგილები. ზემოთ სმამე, რომლის მუშაობის დროს წარმოიქმნება „ბლაგვი“ ბოლოები. ქვედა- შეზღუდვის ფერმენტის სამიზნე თანმიმდევრობა ეკო RI, რომლის დროსაც წარმოიქმნება "წებოვანი" ბოლოები.

მოლეკულურ ბიოლოგიაში ერთ-ერთი პირველი და ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაბიჯი იყო დნმ-ის მოლეკულების მოჭრის უნარი და მკაცრად განსაზღვრულ ადგილებში. ეს მეთოდი გამოიგონეს 1950-1970-იან წლებში ასეთი ფენომენის შესწავლისას: ზოგიერთი ტიპის ბაქტერია, როდესაც გარემოს უცხო დნმ ემატებოდა, ანადგურებდა მას, ხოლო საკუთარი დნმ ხელუხლებელი რჩებოდა. აღმოჩნდა, რომ ამისთვის იყენებენ ფერმენტებს, მოგვიანებით ე.წ შეზღუდვის ნუკლეაზებიან ზღუდავს. არსებობს მრავალი სახის შეზღუდვა: 2007 წლისთვის ცნობილი იყო 3000-ზე მეტი. თითოეული ასეთი ფერმენტის მნიშვნელოვანი თვისებაა მისი უნარი მოჭრას მკაცრად განსაზღვრული - სამიზნე- დნმ ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობა (ნახ. 2). რესტრიქციული ფერმენტები არ მოქმედებს უჯრედის საკუთარ დნმ-ზე, რადგან სამიზნე თანმიმდევრობებში ნუკლეოტიდები ისეა მოდიფიცირებული, რომ შემაკავებელი ფერმენტი მათთან მუშაობას ვერ შეძლებს. (მართალია, ზოგჯერ, პირიქით, მათ შეუძლიათ გაჭრა მხოლოდმოდიფიცირებული თანმიმდევრობები - მათთან საბრძოლველად, ვინც ცვლის დნმ-ს, იცავს თავს ზემოთ შემაკავებელი ფერმენტებისგან.) იმის გამო, რომ სამიზნე თანმიმდევრობები სხვადასხვა სიგრძისაა, დნმ-ის მოლეკულებში მათი გაჩენის სიხშირე იცვლება: რაც უფრო გრძელია საჭირო ფრაგმენტი, მით ნაკლებია ალბათობა. ეს არის გამოჩენა. შესაბამისად, დნმ-ის ფრაგმენტებს, რომლებიც წარმოიქმნება სხვადასხვა რესტრიტაზებით მკურნალობის დროს, განსხვავებული სიგრძე ექნება.

ახალი ენდონუკლეაზების აღმოჩენა დღემდე გრძელდება. ბევრი მათგანი ჯერ კიდევ არ არის კლონირებული, ანუ არ არის ცნობილი გენები, რომლებიც მათ კოდირებს და ცილების გარკვეული გაწმენდილი ფრაქცია აუცილებელი კატალიზური აქტივობით გამოიყენება როგორც "ფერმენტი". ნოვოსიბირსკის კომპანია SibEnzyme უკვე დიდი ხანია წარმატებით ეჯიბრება New England Biolabs-ს, მსოფლიოში ცნობილ ლიდერს შეზღუდვების მიწოდებაში (ანუ შესთავაზა იგივე ან მეტი განსხვავებული შეზღუდვები, რომელთაგან ზოგიერთი ძალიან ეგზოტიკურია). - რედ.

პირველი შემაკავებელი ფერმენტის იზოლირებისთვის, მისი თვისებების შესწავლისთვის და ქრომოსომის პირველი გამოყენებისთვის, ვერნერ არბერი ( ვერნერ არბერი), დენ ნათანსი ( დენ ნათანსი) და ჰამილტონ სმიტი ( ჰამილტონ სმიტი 1978 წელს მიიღო ნობელის პრემია ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში.

დნმ ლიგაზები

ახალი დნმ-ის მოლეკულების შესაქმნელად, რა თქმა უნდა, გარდა ჭრისა, აუცილებელია ორი ჯაჭვის ერთმანეთთან დაკავშირებაც. ეს კეთდება ფერმენტების დახმარებით ე.წ დნმ ლიგაზებირომელიც ჯვარედინად აკავშირებს დნმ-ის ორი ჯაჭვის შაქარ-ფოსფატის ხერხემალს. იმის გამო, რომ დნმ-ის ქიმიური სტრუქტურა არ განსხვავდება ორგანიზმებს შორის, თქვენ შეგიძლიათ ჯვარედინი დაკავშირება დნმ-ის ნებისმიერი წყაროდან და უჯრედი ვერ განასხვავებს მიღებული მოლეკულას საკუთარი დნმ-ისგან.

დნმ-ის მოლეკულების გამყოფი: გელის ელექტროფორეზი

ხშირად გიწევთ საქმე სხვადასხვა სიგრძის დნმ-ის მოლეკულების ნარევთან. მაგალითად, ორგანიზმიდან ქიმიურად იზოლირებული დნმ-ის შემზღუდველი ფერმენტებით დამუშავებისას, მიიღება დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევი და მათი სიგრძე განსხვავდება.

ვინაიდან წყალხსნარში არსებული დნმ-ის ნებისმიერი მოლეკულა უარყოფითად არის დამუხტული, შესაძლებელი ხდება სხვადასხვა ზომის დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევის გამოყოფა მათი სიგრძით. ელექტროფორეზი, . დნმ მოთავსებულია გელზე (ჩვეულებრივ, აგაროზა შედარებით გრძელი და ძალიან განსხვავებული მოლეკულებისთვის, ან პოლიაკრილამიდი მაღალი გარჩევადობის ელექტროფორეზისთვის), რომელიც მოთავსებულია მუდმივ ელექტრულ ველში. ამის გამო, დნმ-ის მოლეკულები გადაადგილდებიან დადებითი ელექტროდისკენ ( ანოდი), და მათი სიჩქარე დამოკიდებული იქნება მოლეკულის სიგრძეზე: რაც უფრო გრძელია ის, მით უფრო აფერხებს გელი მის მოძრაობას და, შესაბამისად, უფრო დაბალია სიჩქარე. ელექტროფორეზის შემდეგ, გელში სხვადასხვა სიგრძის ფრაგმენტების ნარევები ქმნიან ზოლებს, რომლებიც შეესაბამება იმავე სიგრძის ფრაგმენტებს. მარკერების გამოყენებით (ცნობილი სიგრძის დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევები) შეიძლება დადგინდეს მოლეკულების სიგრძე ნიმუშში (ნახ. 3).

ფორეზის შედეგების ვიზუალიზაციის ორი გზა არსებობს. პირველი, ყველაზე ხშირად გამოყენებული ბოლო დროს, არის გელში ისეთი ნივთიერებების დამატება, რომლებიც ფლუორესცირდება დნმ-ის თანდასწრებით (ტრადიციულად გამოიყენება საკმაოდ ტოქსიკური ეთიდიუმის ბრომიდი; ბოლო დროს უფრო უსაფრთხო ნივთიერებები შემოვიდა). ეთიდიუმის ბრომიდი ანათებს ნარინჯისფრად ულტრაიისფერი შუქით დასხივებისას და დნმ-თან შეერთებისას ლუმინესცენციის ინტენსივობა იზრდება რამდენიმე რიგით სიდიდით (ნახ. 4). კიდევ ერთი მეთოდია რადიოაქტიური იზოტოპების გამოყენება, რომლებიც ჯერ უნდა შევიდეს გაანალიზებულ დნმ-ში. ამ შემთხვევაში, გელის თავზე თავსდება ფოტოგრაფიული ფირფიტა, რომელიც განათებულია დნმ-ის ზოლების ზემოთ რადიოაქტიური გამოსხივების გამო (ეს გამოსახულების მეთოდი ე.წ. ავტორადიოგრაფია).

სურათი 4. აგაროზის გელის ელექტროფორეზიეთიდიუმის ბრომიდის გამოყენება ულტრაიისფერი შედეგების ვიზუალიზაციისთვის ( დატოვა). მეორე ბილიკი მარცხნიდან არის მარკერი ცნობილი ფრაგმენტების სიგრძით. Მარჯვნივ- ელექტროფორეზის მონტაჟი გელში.

გელის ფირფიტაში "ჩვეულებრივი" ელექტროფორეზის გარდა, ზოგიერთ შემთხვევაში ისინი იყენებენ კაპილარული ელექტროფორეზი, რომელიც ტარდება ძალიან თხელ მილში, რომელიც სავსეა გელით (ჩვეულებრივ, პოლიაკრილამიდით). ასეთი ელექტროფორეზის გარჩევადობა გაცილებით მაღალია: მისი გამოყენება შესაძლებელია დნმ-ის მოლეკულების განცალკევებისთვის, რომლებიც განსხვავდება სიგრძით. მხოლოდ ერთი ნუკლეოტიდი. წაიკითხეთ ამ მეთოდის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი აპლიკაციის შესახებ ქვემოთ Sanger-ის დნმ-ის თანმიმდევრობის მეთოდის აღწერაში.

დნმ-ის კონკრეტული თანმიმდევრობის იდენტიფიკაცია ნარევში. სამხრეთის ბლოტი

ელექტროფორეზის გამოყენებით შეგიძლიათ გაიგოთ დნმ-ის მოლეკულების ზომა ხსნარში, მაგრამ ეს არაფერს გეტყვით მათში არსებული ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობის შესახებ. მეშვეობით დნმ-ის ჰიბრიდიზაციაშესაძლებელია გავიგოთ, რომელი ზოლებით შეიცავს ფრაგმენტს მკაცრად განსაზღვრულითანმიმდევრობა. დნმ-ის ჰიბრიდიზაცია ემყარება წყალბადის ბმების წარმოქმნას დნმ-ის ორ ჯაჭვს შორის, რაც იწვევს მათ კავშირს.

ჯერ უნდა გააკეთოთ სინთეზი დნმ-ის ზონდი, რომელიც ავსებს იმ თანმიმდევრობას, რომელსაც ჩვენ ვეძებთ. ჩვეულებრივ, ეს არის ერთჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულა 10-1000 ნუკლეოტიდის სიგრძით. კომპლემენტარობის გამო, ზონდი დაუკავშირდება სასურველ თანმიმდევრობას და ზონდში ჩადგმული ფლუორესცენტური ეტიკეტის ან რადიოიზოტოპების გამო, შედეგების ნახვა შესაძლებელია.

ამისთვის პროცედურა ე.წ სამხრეთის ბლოტიან სამხრეთის გადატანამეცნიერის სახელი, რომელმაც გამოიგონა ( ედვინ სამხრეთი). თავდაპირველად, დნმ-ის ფრაგმენტების ნარევი გამოიყოფა ელექტროფორეზით. ნიტროცელულოზის ან ნეილონის ფურცელი მოთავსებულია გელის თავზე და გამოყოფილი დნმ-ის ფრაგმენტები გადაეცემა მას ბლოტით: გელი დევს ღრუბელზე აბანოში ტუტე ხსნარით, რომელიც ჟონავს გელსა და ნიტროცელულოზას კაპილარების გამო. ზემოდან დაკეცილი ქაღალდის პირსახოცების ეფექტი. გაჟონვის დროს ტუტე იწვევს დნმ-ის დენატურაციას და უკვე ერთჯაჭვიანი ფრაგმენტები ნიტროცელულოზის ფირფიტის ზედაპირზე გადადის და იქ ფიქსირდება. ნიტროცელულოზის ფურცელი საგულდაგულოდ ამოღებულია გელიდან და მუშავდება რადიოაქტიურად მარკირებული დნმ-ის ზონდით, სპეციფიკური დნმ-ის საჭირო თანმიმდევრობისთვის. ნიტროცელულოზის ფურცელი კარგად ირეცხება ისე, რომ მასზე დარჩეს მხოლოდ ის ნიმუში მოლეკულები, რომლებიც ჰიბრიდირებულია ნიტროცელულოზაზე დნმ-თან. ავტორადიოგრაფიის შემდეგ, დნმ, რომლითაც ზონდი ჰიბრიდირებულია, გამოჩნდება ზოლების სახით ფოტოგრაფიულ ფირფიტაზე (ნახ. 5).

ამ ტექნიკის ადაპტაციას რნმ-ის სპეციფიკური თანმიმდევრობის დასადგენად, სამხრეთის ბლოტისგან განსხვავებით, ჩრდილოეთ ბლოტი ეწოდება (ნორტერნ ბლოტი: სამხრეთიინგლისურად ნიშნავს "სამხრეთს" და ჩრდილოეთი- "ჩრდილოეთი"). ამ შემთხვევაში ელექტროფორეზი ტარდება გელში mRNA მოლეკულებით და ზონდად ირჩევა ერთჯაჭვიანი დნმ ან რნმ მოლეკულა.

დნმ-ის კლონირება

ჩვენ უკვე ვიცით, როგორ დავჭრათ გენომი ნაწილებად (და შევკეროთ ისინი თვითნებური დნმ-ის მოლეკულებით), დავყოთ მიღებული ფრაგმენტები სიგრძეზე და ავირჩიოთ საჭირო ჰიბრიდიზაციის გამოყენებით. ახლა დროა გავარკვიოთ, როგორ შეგვიძლია ამ მეთოდების კომბინაციით გენომის ნაწილის (მაგალითად, კონკრეტული გენის) კლონირება. გენომში ნებისმიერი გენი იკავებს უკიდურესად მცირე სიგრძეს (უჯრედის მთლიან დნმ-თან შედარებით). დნმ-ის კლონირებასიტყვასიტყვით ნიშნავს მისი გარკვეული ფრაგმენტის დიდი რაოდენობით ასლების შექმნას. სწორედ ამით გაძლიერებაჩვენ ვიღებთ შესაძლებლობას გამოვყოთ დნმ-ის ნაწილი და მივიღოთ იგი შესასწავლად საკმარისი რაოდენობით.

როგორ გავყოთ დნმ-ის ფრაგმენტები სიგრძით და ამოვიცნოთ სასურველი, ზემოთ აღწერილი იყო. ახლა ჩვენ უნდა გავიგოთ, როგორ შეგვიძლია დავაკოპიროთ ჩვენთვის საჭირო ფრაგმენტი. არსებობს ორი ძირითადი მეთოდი: სწრაფად გამყოფი ორგანიზმების (ჩვეულებრივ ბაქტერიების) გამოყენება ეშერიხია კოლი- Escherichia coli - ან საფუარი Saccharomyces serevisiae) ან გააკეთეთ მსგავსი პროცესი, მაგრამ ინ ვიტრომეშვეობით პოლიმერიზაციის ჯაჭვური რეაქციის.

გამრავლება ბაქტერიებში

ვინაიდან ბაქტერიები (როგორც ნებისმიერი სხვა უჯრედი, გარდა ჩანასახოვანი უჯრედების წინამორბედებისა) აორმაგებს მათ დნმ-ს თითოეული უჯრედის გაყოფისას, ეს შეიძლება გამოყენებულ იქნას რიცხვის გასამრავლებლად. გვჭირდებადნმ. იმისათვის, რომ ჩვენი დნმ-ის ფრაგმენტი ბაქტერიაში შევიტანოთ, საჭიროა მისი „შეკერვა“ სპეციალურ ვექტორში, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება როგორც ბაქტერია. პლაზმიდი(პატარა - ბაქტერიულ ქრომოსომასთან შედარებით - დნმ-ის წრიული მოლეკულა, რომელიც ქრომოსომისგან განცალკევებით მეორდება). ველური ტიპის ბაქტერიებს ხშირად აქვთ მსგავსი სტრუქტურა: ისინი ხშირად "ჰორიზონტალურად" გადადიან სხვადასხვა შტამებს ან თუნდაც ბაქტერიების სახეობებს შორის. ყველაზე ხშირად ისინი შეიცავს ანტიბიოტიკებისადმი რეზისტენტობის გენებს (სწორედ ამ თვისების გამო აღმოაჩინეს) ან ბაქტერიოფაგებს, ასევე გენებს, რომლებიც უჯრედს საშუალებას აძლევს გამოიყენოს უფრო მრავალფეროვანი სუბსტრატი. (ზოგჯერ „ეგოისტები“ არიან და არანაირ ფუნქციას არ ასრულებენ.) სწორედ ეს პლაზმიდები ჩვეულებრივ გამოიყენება მოლეკულურ გენეტიკურ კვლევებში. პლაზმიდები აუცილებლად შეიცავენ რეპლიკაციის საწყისს (თანმიმდევრობას, საიდანაც იწყება მოლეკულის რეპლიკაცია), რესტრიქციული ფერმენტის სამიზნე თანმიმდევრობას და გენს, რომელიც საშუალებას აძლევს შეარჩიოს იმ უჯრედები, რომლებსაც აქვთ ეს პლაზმიდი (ჩვეულებრივ, ეს არის გენები რეზისტენტობისთვის. ზოგიერთი ანტიბიოტიკი). ზოგიერთ შემთხვევაში (მაგალითად, დნმ-ის ძალიან დიდი ფრაგმენტების შესწავლისას) გამოიყენება არა პლაზმიდი, არამედ ხელოვნური ბაქტერიული ქრომოსომა.

აუცილებელი დნმ-ის ფრაგმენტი პლაზმიდში შეჰყავთ რესტრიქციული ფერმენტების და ლიგაზების დახმარებით, რის შემდეგაც მას უმატებენ ბაქტერიულ კულტურას სპეციალურ პირობებში, რაც უზრუნველყოფს ტრანსფორმაცია- ბაქტერიის მიერ გარე გარემოდან დნმ-ის აქტიური დაჭერის პროცესი (ნახ. 6). ამის შემდეგ არჩევენ ბაქტერიებს, რომელთა ტრანსფორმაციაც წარმატებით დასრულდა, პლაზმიდში გენის შესაბამისი ანტიბიოტიკის დამატებით: ცოცხალი რჩება მხოლოდ უჯრედები, რომლებიც ატარებენ რეზისტენტულ გენს (და, შესაბამისად, პლაზმიდსაც). გარდა ამისა, უჯრედული კულტურის ზრდის შემდეგ, პლაზმიდები იზოლირებულია მისგან და "ჩვენი" დნმ-ის ფრაგმენტი იზოლირებულია მათგან რესტრიტაზების გამოყენებით (ან მე ვიყენებ მთელ პლაზმიდს). თუ გენი შეიყვანეს პლაზმიდში მისი ცილოვანი პროდუქტის მისაღებად, აუცილებელია კულტურისთვის პირობების უზრუნველყოფა, შემდეგ კი უბრალოდ საჭირო ცილის იზოლირება.

ამ დროს დაუყოვნებლივ უნდა გაჩნდეს კითხვა: როგორ შეიძლებოდა ამ ყველაფრის გამოყენება გენომის გაშიფვრამდე და დნმ-ის თანმიმდევრობის კითხვა ჯერ კიდევ ძვირი და არა გავრცელებული? დავუშვათ, მიღებული ფრაგმენტების შეზღუდვისა და კლონირების დახმარებით მივიღებთ დნმ ბიბლიოთეკაეს არის ბაქტერიების ნაკრები, რომლებიც ატარებენ სხვადასხვა პლაზმიდებს, რომლებიც შეიცავს მთლიან გენომს (ან მის შესამჩნევ ნაწილს). მაგრამ როგორ გავიგოთ ფრაგმენტებიდან რომელი შეიცავს საჭირო გენს? ამისთვის გამოიყენეს ჰიბრიდიზაციის მეთოდი. პირველ რიგში, საჭირო იყო სასურველი გენის ცილის იზოლირება. ამის შემდეგ ხდება მისი ფრაგმენტის თანმიმდევრობა, გენეტიკური კოდის შეცვლა და ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის მიღება (რა თქმა უნდა, გენეტიკური კოდის გადაგვარების გამო მრავალი განსხვავებული ვარიანტის გამოცდა იყო საჭირო). ამის შესაბამისად, ქიმიურად სინთეზირებულია დნმ-ის მოკლე მოლეკულა, რომელიც გამოიყენებოდა როგორც ჰიბრიდიზაციის ზონდი.

მაგრამ ზოგიერთ შემთხვევაში, ეს მეთოდი წარუმატებელი აღმოჩნდა - მაგალითად, ეს მოხდა სისხლის შედედების VIII ფაქტორით. ეს ცილა მონაწილეობს სისხლის შედედებაში და მისი ფუნქციონირების დარღვევა ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული გენეტიკური დაავადების - ჰემოფილია A-ს მიზეზია. იყოს კლონირებული ბაქტერიების წარმოებისთვის. ეს გამოწვეული იყო იმით, რომ მისი სიგრძე დაახლოებით 180 000 ბაზის წყვილია და შეიცავს ბევრ ინტრონს (არაკოდირებულ ფრაგმენტებს შორის კოდირებულებს) - გასაკვირი არ არის, რომ ეს გენი მთლიანად არც ერთ პლაზმიდში არ მოხვდა.

სისხლის კოაგულაციის მექანიზმების შესახებ იხ. როგორ მუშაობს სისხლის შედედება? ». - რედ.

პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია (PCR)

მეთოდი ეფუძნება დნმ-ის გარკვეული სეგმენტის მრავალჯერადი შერჩევით კოპირებას ფერმენტების დახმარებით ხელოვნურ პირობებში. ამ შემთხვევაში კოპირდება მხოლოდ დნმ-ის სეგმენტი, რომელიც აკმაყოფილებს მითითებულ პირობებს და მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ის იმყოფება ტესტის ნიმუშში. ცოცხალი ორგანიზმების უჯრედებში დნმ-ის რეპლიკაციისგან განსხვავებით, დნმ-ის შედარებით მოკლე მონაკვეთები ძლიერდება PCR-ის გამოყენებით (ჩვეულებრივ, არაუმეტეს 3000 ბაზის წყვილი, მაგრამ არსებობს მეთოდები, რომლებიც საშუალებას გაძლევთ „ამაღლოთ“ 20 ათასამდე ბაზის წყვილი - ე.წ. გრძელი დიაპაზონის PCR).

სინამდვილეში, PCR არის დნმ-ის ფრაგმენტის ხელოვნური მრავალჯერადი რეპლიკაცია (ნახ. 7). დნმ პოლიმერაზები შექმნილია ისე, რომ მათ არ შეუძლიათ ახალი დნმ-ის სინთეზირება უბრალოდ შაბლონისა და მონომერების ხელმისაწვდომობით. ამისათვის თქვენ ასევე გჭირდებათ თესლი ( პრაიმერი)საიდანაც იწყებენ სინთეზს. პრაიმერი არის მოკლე, ერთჯაჭვიანი ნუკლეინის მჟავის ფრაგმენტი, რომელიც ავსებს დნმ-ის შაბლონს. უჯრედში რეპლიკაციის დროს ასეთი პრაიმერები სინთეზირდება სპეციალური ფერმენტით პრიმაზადა არის რნმ-ის მოლეკულები, რომლებიც მოგვიანებით შეიცვალა დნმ-ით. ამასთან, PCR-ში გამოიყენება ხელოვნურად სინთეზირებული დნმ-ის მოლეკულები, რადგან ამ შემთხვევაში რნმ-ის მოცილებისა და მათ ადგილას დნმ-ის სინთეზის ეტაპი არ არის საჭირო. PCR-ში პრაიმერები ზღუდავენ გაძლიერებულ რეგიონს ორივე მხრიდან.

სურათი 7. დნმ-ის რეპლიკაცია- ცოცხალი ორგანიზმებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი პროცესი, მრავალი მოლეკულური ბიოლოგიური მეთოდის საფუძველი. ვინაიდან დნმ-ის თითოეული ჯაჭვი შეიცავს ნუკლეოტიდების თანმიმდევრობას, რომელიც ავსებს მეორე ჯაჭვს (მათი ინფორმაციის შინაარსი იგივეა), როდესაც დნმ-ის დუბლირება ხდება, ჯაჭვები განსხვავდება და შემდეგ თითოეული ჯაჭვი ემსახურება როგორც შაბლონს, რომელზეც ახალი დნმ-ის ჯაჭვია. შენდება მისი შემავსებელი. შედეგად, წარმოიქმნება დნმ-ის ორი დუპლექსი, რომელთაგან თითოეული არის ორიგინალური მოლეკულის ზუსტი (სინთეზის შეცდომების გათვალისწინების გარეშე) ასლი.

ასე რომ, დროა განვმარტოთ, თუ როგორ მუშაობს PCR. თავდაპირველად, რეაქციის ნარევი შეიცავს: დნმ-ის შაბლონს, პრაიმერებს, დნმ პოლიმერაზას, თავისუფალ ნუკლეოზიდებს (მომავალი „ასო“ ახლად სინთეზირებულ დნმ-ში), აგრეთვე სხვა ნივთიერებებს, რომლებიც აუმჯობესებენ პოლიმერაზას ფუნქციონირებას (მათ ემატება სპეციალური ბუფერები. გამოიყენება რეაქციაში).

შაბლონის შემავსებელი დნმ-ის სინთეზირებისთვის აუცილებელია, რომ ერთ-ერთმა პრაიმერმა შექმნას მასთან წყალბადის ბმები (როგორც ამბობენ, მასზე „ანილი“). მაგრამ მატრიცა უკვე აყალიბებს მათ მეორე ჯაჭვით! ასე რომ, პირველ რიგში საჭიროა დნმ-ის დნობა – ანუ წყალბადის ბმების განადგურება. ეს ხდება მარტივი გათბობით (≈95 ° C-მდე) - ეტაპი ე.წ დენატურაცია. მაგრამ ახლა პრაიმერები მატრიცაზე მაღალი ტემპერატურის გამო ვერ იწვებიან! შემდეგ ტემპერატურა იკლებს (50–65 °C), პრაიმერებს ადუღებენ, რის შემდეგაც ტემპერატურა ოდნავ მატულობს (პოლიმერაზას ოპტიმალურ მუშაობამდე, ჩვეულებრივ, დაახლოებით 72 °C). შემდეგ კი პოლიმერაზა იწყებს შაბლონის შემავსებელი დნმ-ის ჯაჭვების სინთეზს - ამას ე.წ დრეკადობა(ნახ. 8). ერთი ასეთი ციკლის შემდეგ, საჭირო ფრაგმენტების ასლების რაოდენობა გაორმაგდა. თუმცა, არაფერი გიშლის ხელს ამის გამეორებაში. და არა მხოლოდ ერთხელ, არამედ ათეულჯერ! და ყოველი გამეორებისას ჩვენი დნმ-ის ფრაგმენტის ასლების რაოდენობა გაორმაგდება, რადგან ახლად სინთეზირებული მოლეკულები შაბლონებადაც გამოდგება (ნახ. 9)! (სინამდვილეში, PCR-ის ეფექტურობა იშვიათად არის იმდენად მაღალი, რომ ასლების რაოდენობა ორმაგდება, მაგრამ იდეალურ შემთხვევაში ეს ასეა და რეალური რიცხვები ხშირად ახლოსაა ამას.)

სურათი 9. ყოველი PCR ციკლით, სამიზნე დნმ-ის რაოდენობა ორმაგდება.

PCR-ის შედეგების დანახვა ძალიან ადვილია: საკმარისია PCR-ის შემდეგ რეაქციის ნარევის ელექტროფორეზის ჩატარება და მიღებული ასლებით ნათელი ზოლი გამოჩნდება.

ადრე, სითბოს ინაქტივირებული პოლიმერაზა ყოველ ციკლში მუდმივად უნდა დაემატებინა, მაგრამ მალე შემოთავაზებული იქნა თერმოფილური ბაქტერიებისგან თერმოსტაბილური პოლიმერაზას გამოყენება, რომელიც გაუძლებს ასეთ სითბოს, რაც მნიშვნელოვნად ამარტივებს PCR-ს (ყველაზე ხშირად გამოყენებული Taq პოლიმერაზა ბაქტერიებისგან. თერმუს აკვატიკუსი ).

სარეაქციო ნარევიდან წყლის ძლიერი აორთქლების თავიდან ასაცილებლად, მას ზემოდან დასაფარავად უმატებენ ზეთს და/ან გამოიყენება გახურებული სახურავი. თერმოციკლერი- მოწყობილობა, რომელშიც ტარდება PCR. ის სწრაფად ცვლის ტესტის მილების ტემპერატურას და მათ არ სჭირდებათ მუდმივად გადაადგილება ერთი თერმოსტატიდან მეორეზე. არასპეციფიკური სინთეზის თავიდან ასაცილებლად, თუნდაც გაცხელებამდე და ციკლების რეალურ დაწყებამდე, მე ხშირად ვიყენებ PCR-ს „ცხელი დაწყებით“: მთელი დნმ და პოლიმერაზა ერთმანეთისგან გამოყოფილია პარაფინის ფენით, რომელიც დნება მაღალ ტემპერატურაზე და იძლევა საშუალებას. მათ ურთიერთქმედება უკვე სწორ პირობებში. ზოგჯერ გამოიყენება მოდიფიცირებული პოლიმერაზები, რომლებიც არ მუშაობს დაბალ ტემპერატურაზე.

გაცილებით მეტია სათქმელი PCR-ის სხვადასხვა დახვეწილობაზე, მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი ის არის კლასიკური ფორეზის შედეგების განსაზღვრის ალტერნატიული მეთოდების შესახებ. მაგალითად, საკმაოდ აშკარა ვარიანტია რეაქციის დაწყებამდე ნივთიერებების დამატება, რომლებიც დნმ-ის თანდასწრებით ფლუორესცირდება რეაქციის მილში. შემდეგ, საწყისი ფლუორესცენტის შედარებით საბოლოო ფლუორესცენციასთან, შეიძლება დაინახოს, სინთეზირებულია თუ არა დნმ-ის მნიშვნელოვანი რაოდენობა. მაგრამ ეს მეთოდი არ არის სპეციფიკური: ჩვენ ვერანაირად ვერ განვსაზღვრავთ თუ არა საჭიროფრაგმენტი, ან არის ეს პრაიმერები, რომლებიც ერთმანეთს ეწებება და აყალიბებს არაპროგნოზირებად მიმდევრობებს.

ყველაზე საინტერესო ვარიანტია PCR "რეალური დრო" ("real-time PCR"). ამ მეთოდის რამდენიმე განხორციელება არსებობს, მაგრამ იდეა ყველგან ერთი და იგივეა: რეაქციის დროს შეგიძლიათ პირდაპირ დააკვირდეთ PCR პროდუქტების დაგროვებას (ფლუორესცენციით). შესაბამისად, რეალურ დროში PCR მოითხოვს სპეციალურ ინსტრუმენტს, რომელსაც შეუძლია აღაგზნოს და წაიკითხოს ფლუორესცენცია თითოეულ მილში. უმარტივესი გამოსავალია სინჯარაში იგივე ნივთიერებების დამატება, რომლებიც დნმ-ის თანდასწრებით ფლუორესცირებენ, მაგრამ ამ მეთოდის უარყოფითი მხარეები უკვე ზემოთ იყო აღწერილი.

ეს მკაცრად არის მოხსენიებული, როგორც "რეალურ დროში ფლუორესცენციული PCR" ან "რაოდენობრივი PCR". - რედ.

სურათი 11. ფლუორესცენციის დაგროვების მრუდების მაგალითი რეალურ დროში PCR-ში:ფლუორესცენციის ინტენსივობის დამოკიდებულება (რამდენიმე საცდელ მილში - თითოეული საკუთარი მრუდისთვის) ციკლის რიცხვზე.

ამ მიდგომის ყველაზე პოპულარული განხორციელებაა ზონდის განადგურების გამო ფტორფორის გაყოფის მეთოდი (TaqMan Assay; სურ. 10). ამ შემთხვევაში, რეაქციის ნარევი უნდა შეიცავდეს კიდევ ერთ კომპონენტს - სპეციალურ ერთჯაჭვიანი დნმ-ის ზონდს: დნმ-ის მოლეკულა, რომელიც ავსებს გამაძლიერებელი ფრაგმენტის თანმიმდევრობას, რომელიც მდებარეობს. შორისპრაიმერები. ამავდროულად, მისი ერთ-ერთი ბოლო ქიმიურად უნდა იყოს მიმაგრებული ფტორფორი(ფლუორესცენტური მოლეკულა), ხოლო მეორეს - ჩამქრალი (მოლეკულა, რომელიც შთანთქავს ფტორფორის ენერგიას და "ჩაქრობს" ფლუორესცენციას). როდესაც ასეთი ზონდი ხსნარშია ან ავსებს სამიზნე თანმიმდევრობას, ფტორფორი და კვენჩერი შედარებით ახლოს არიან ერთმანეთთან და არ შეინიშნება ფლუორესცენცია. თუმცა, 3'-ეგზონუკლეაზას აქტივობის გამო, რომელსაც ფლობს Taq პოლიმერაზა (ანუ ის წყვეტს დნმ-ს, რომელსაც სინთეზის დროს "დააბრკოლებს" და მის ადგილას ასინთეზებს ახალს), ზონდი ნადგურდება მეორის სინთეზის დროს. ძაფები, დიფუზიების გამო ფტორფორი და ჩამქრალი შორდებიან ერთმანეთს და ჩნდება ფლუორესცენცია.

როგორც ასლების რაოდენობა ექსპონენტურად იზრდება PCR-ის დროს, ასევე იზრდება ფლუორესცენცია. თუმცა ეს დიდხანს არ გრძელდება, ვინაიდან რაღაც მომენტში რეაქციის ეფექტურობა იწყებს ვარდნას პოლიმერაზას თანდათანობითი ინაქტივაციის, ზოგიერთი კომპონენტის ნაკლებობის და ა.შ. (ნახ. 11). ფლუორესცენციის ზრდის გრაფიკების ანალიზით ბევრი რამის გაგება შეიძლება PCR პროცესის შესახებ, მაგრამ, რაც მთავარია, შეიძლება გაირკვეს, თუ რამდენი დნმ-ის შაბლონი იყო თავდაპირველად: ეს არის ე.წ. რაოდენობრივი PCR(რაოდენობრივი PCR, qPCR).

შეუძლებელია PCR-ის ყველა გამოყენების ჩამოთვლა მეცნიერებაში. დნმ-ის ფრაგმენტის გამოყოფა, თანმიმდევრობა, მუტაგენეზი... PCR ერთ-ერთი ყველაზე პოპულარული მეთოდია არამეცნიერული მიზნებისთვის (ვიდეო 1). იგი ფართოდ გამოიყენება მედიცინაში მემკვიდრეობითი და ინფექციური დაავადებების ადრეული დიაგნოსტიკისთვის, მამობის დასადგენად, იდენტურობის დადგენის გამოკვლევებში და მრავალი სხვა.

ბუნებრივი უჯრედული პროცესები ინ ვიტრო

ყველა ძირითადი მოლეკულური ბიოლოგიური პროცესი მარტივად შეიძლება განხორციელდეს ინ ვიტრო(ანუ სინჯარაში). ზემოთ მოცემულია მაგალითი: PCR არის დნმ-ის რეპლიკაციის ანალოგი. ამისათვის უბრალოდ შეურიეთ საჭირო რეაგენტები შესაფერის პირობებში: ტრანსკრიფციისთვის საჭიროა დნმ-ის შაბლონი, რნმ პოლიმერაზა და რიბონუკლეოტიდები, თარგმნისთვის საჭიროა mRNA, რიბოსომას ქვედანაყოფები და ამინომჟავები, საპირისპირო ტრანსკრიფცია მოითხოვს რნმ-ის შაბლონს. საპირისპირო ტრანსკრიპტაზა(აკა რევერტაზა) და დეზოქსირიბონუკლეოტიდები. ეს მეთოდები ფართოდ გამოიყენება ბიოლოგიის სხვადასხვა დარგში, როდესაც საჭიროა, მაგალითად, კონკრეტული გენის სუფთა რნმ-ის მიღება. ამ შემთხვევაში, თქვენ ჯერ უნდა შეცვალოთ მისი (გენის) mRNA, გააძლიეროთ იგი PCR-ის გამოყენებით და შემდეგ გამოიყენოთ ინ ვიტრო-ტრანსკრიფცია მიიღება ბევრი mRNA. პირველი ეტაპი აუცილებელია იმის გამო, რომ უჯრედში მომწიფებული mRNA-ს წარმოქმნამდე, შერწყმადა დამუშავებარნმ (ევკარიოტებში; ბაქტერიებში, ამ გაგებით, ყველაფერი უფრო მარტივია) - მომზადება ცილის სინთეზისთვის მატრიცად მუშაობისთვის. ზოგჯერ ამის თავიდან აცილება შესაძლებელია, თუ გენის მთელი კოდირების თანმიმდევრობა მდებარეობს ერთ ეგზონში.

დნმ-ის თანმიმდევრობა

შეიძლება ითქვას, რომ დნმ-ის მანიპულირების ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდები უკვე აღწერილია. შემდეგი ნაბიჯი არის მოლეკულაში ჯაჭვის ფაქტობრივი ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის დადგენა - თანმიმდევრობა. დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის განსაზღვრა ძალზე მნიშვნელოვანია მრავალი ფუნდამენტური და გამოყენებული პრობლემისთვის. მას განსაკუთრებული ადგილი უჭირავს მეცნიერებაში: გენომის თანმიმდევრობის შედეგების გასაანალიზებლად, ფაქტობრივად, შეიქმნა ახალი მეცნიერება - ბიოინფორმატიკა. თანმიმდევრობას ახლა იყენებენ მოლეკულური ბიოლოგები, გენეტიკოსები, ბიოქიმიკოსები, მიკრობიოლოგები, ბოტანიკოსები და ზოოლოგები და, რა თქმა უნდა, ევოლუციონისტები: თითქმის ყველა თანამედროვე სისტემატიკა ეფუძნება მის შედეგებს. თანმიმდევრობა ფართოდ გამოიყენება მედიცინაში, როგორც მემკვიდრეობითი დაავადებების ძიების და ინფექციების შესწავლის მეთოდი. (იხილეთ, მაგალითად, " ფეხსახსრიანების „გვარის“ გარკვევა"და" სკი ნამდვილი ანეგდოტი: ზანგი, ჩინელი და კრეიგ ვენტერი... ». - რედ.)

სინამდვილეში, ქრონოლოგიურად, მეთოდები სრულიად განსხვავებული თანმიმდევრობით გამოიგონეს. მაგალითად, Sanger sequencing შეიქმნა 1977 წელს, ხოლო PCR, როგორც ზემოთ აღინიშნა, მხოლოდ 1983 წელს.

არსებობს მრავალი განსხვავებული თანმიმდევრობის ტექნიკა, მაგრამ ყველა მეთოდი შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: "კლასიკური" და ახალი თაობა. ახლა, ფაქტობრივად, გამოიყენება მხოლოდ ერთი "კლასიკური" მეთოდი - Sanger sequencing, ან ტერმინატორის მეთოდი. ახალ მეთოდებთან შედარებით მას მნიშვნელოვანი უპირატესობა აქვს: წაკითხვის სიგრძე, ანუ ნუკლეოტიდების რაოდენობა მიმდევრობაში, რომლის მიღებაც შესაძლებელია ერთდროულად, უფრო მაღალია - 1000 ნუკლეოტიდამდე. ამასთან, ამ მხრივ ყველაზე „კარგი“ „ახალი“ თანმიმდევრობის მეთოდი - 454-, ანუ პიროსეკვენირება - ეს პარამეტრი არ აღემატება 500 ნუკლეოტიდს. ეს არის წაკითხვის ხანგრძლივობა, რომელიც ზღუდავს ახალი მეთოდების შესაძლებლობებს: გამოდის, რომ უკიდურესად რთულია მთელი გენომის „აწყობა“ რამდენიმე ათეული ზომის ნუკლეოტიდის ფრაგმენტებისგან. ამას მინიმუმ სუპერკომპიუტერები სჭირდება და გენომში ზოგიერთი ადგილის ამოხსნა უბრალოდ შეუძლებელია, თუ ისინი შეიცავს უაღრესად განმეორებად თანმიმდევრობებს. ამ შემთხვევაში, მიღებული ფრაგმენტების შედარება უკვე არსებულ მთლიან გენომთან შეიძლება დაგვეხმაროს, მაგრამ ამ გზით ორგანიზმის გენომის პირველად წაკითხვა შეუძლებელია ( დე ნოვო). (Იხილეთ ასევე: " ცხოვრების კოდექსი: წაკითხვა არ არის გაგება ». - რედ.)

ინგლისელი ბიოქიმიკოსი და მოლეკულური ბიოლოგიის მნათობი, ორჯერ ნობელის პრემიის ლაურეატი ქიმიაში: ინსულინის ამინომჟავების თანმიმდევრობის განსაზღვრისთვის (1955) და დნმ-ის თანმიმდევრობის მეთოდის შემუშავებისთვის (1980). - რედ.

არსებობს ახალი თაობის მეთოდი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ წაიკითხოთ რამდენიმე ათასი თვე, მაგრამ დიდი შეცდომებით (Pacific Biosciences). 454/Roche დღეს შეუძლია წაიკითხოს 500 ორზე მეტი; ახალგაზრდა "ნახევარგამტართა თანმიმდევრობა" უკვე შეუძლია იგივე გააკეთოს. - რედ.

ზემოთ ნახსენები თანმიმდევრობის ორივე მეთოდი უკვე საკმარისად დეტალურად არის აღწერილი "ბიომოლეკულაზე": კატეგორიულად გირჩევთ გაეცნოთ. მაგალითად, გეტყვით კიდევ ერთ გავრცელებულ სწრაფ და იაფ მეთოდზე (თითო წაკითხულ ნუკლეოტიდზე) - Illumina sequencers-ში განხორციელებულ მეთოდზე (ვიდეო 2). მისი მთავარი ნაკლი არის ძალიან მოკლე სიგრძის, არაუმეტეს 100 ნუკლეოტიდის ფრაგმენტების კითხვა და ამის შედეგად გენომის ნულიდან წაკითხვის სირთულე.

ამ მეთოდით შეიძლება განვასხვავოთ სამი ეტაპი: ფრაგმენტების ბიბლიოთეკის მომზადება (1), კლასტერების შექმნა (2) და თავად თანმიმდევრობა (3).

ვიდეო 2. ინტერნეტში არის რამდენიმე კარგი ვიდეო, რომელიც აღწერს Illumina-ს თანმიმდევრობის პროცესსმაგალითად, კომპანიის ოფიციალურ ვებსაიტზე (ტექნიკის ჩანართი). თუმცა, ისინი ყველა ინგლისურ ენაზეა.

უკვე საკმაოდ ბევრი ითქვა ნუკლეინის მჟავებთან მუშაობის მეთოდებზე და მათ შესწავლაზე. დროა გავარკვიოთ, როგორ შეგიძლიათ გაიგოთ, როგორ მუშაობს უჯრედი – კერძოდ, შეეცადეთ დაადგინოთ გენის ფუნქცია და ის პროტეინი, რომელსაც ის კოდირებს.

ინ ვიტრო-მუტაგენეზი

ცილის ფუნქციის შესასწავლად ძალიან მნიშვნელოვანია ვისწავლოთ როგორ შევიტანოთ მასში მუტაციები. მაგალითად, თუ თქვენ გაქვთ ორგანიზმი უფუნქციო ფერმენტით, შეგიძლიათ გაიგოთ ბიოქიმიური განსხვავებებით, რას აკეთებს ნორმალური ცილა. სრულიად უმოქმედო გენის შექმნის სხვადასხვა გზა არსებობს (ორივე თვითნებური მთელი გენომისგან და სრულიად სპეციფიკური - მაშინ ე.წ. ნოკაუტიეს გენი). ერთ-ერთი ასეთი მეთოდია გენომში დნმ-ის ზოგიერთი ფრაგმენტის შეყვანა: თუ ეს ჩასმა დაეცემა გენს, მაშინ ის (უფრო ზუსტად, დიდი ალბათობით, ცილა, რომელსაც ის კოდირებს) ნორმალურად ფუნქციონირებას შეწყვეტს.

თუმცა, არსებობს გზები ძალიან ზუსტად შეცვალოს გენის და, შესაბამისად, ცილის თანმიმდევრობა. ერთ-ერთი ამ მეთოდის შესახებ - უბნის სპეციფიკური მუტაგენეზი- Გეტყვი. მისი არსი არის კონკრეტული (ჩვეულებრივ ერთი) ნუკლეოტიდის შეცვლა თანმიმდევრობით. მის გამოსაყენებლად, ჯერ საჭიროა ამ გენის კლონირება პლაზმიდში. ამის შემდეგ აუცილებელია, როგორც ეს იყო, PCR ერთი პრაიმერით. უფრო მეტიც, ეს პრაიმერი უნდა შეიცავდეს მხოლოდ იმ თანმიმდევრობას, რომლის შეცვლაც გვინდა - უკვე იმ ფორმით, რომელიც გვჭირდება. მაგალითად, ნახ. 14, ასო A-ს ნაცვლად, რომელიც T-ს საპირისპირო უნდა ყოფილიყო მშობელთა ჯაჭვში, პრაიმერი შეიცავს C. პრაიმერის შემცველი პლაზმიდის მეორე დნმ-ის ჯაჭვის სინთეზის შემდეგ მასში შეიტანება მუტაცია - A იქნება. ჩანაცვლებულია C-ით. ასეთი პლაზმიდები შეჰყავთ უჯრედებში, რომლებშიც გაყოფისას ორი ჯაჭვი სხვადასხვა ქალიშვილ უჯრედში აღმოჩნდება. ამრიგად, შთამომავლობის უჯრედების ნახევარს ექნება პლაზმიდის ორიგინალური ვერსია, ნახევარს კი მუტანტი. შემდეგ, შესაბამისად, უჯრედების ნახევარი გამოიმუშავებს ამ გენის მიერ დაშიფრულ ნორმალურ პროტეინს, ნახევარი კი მუტანტს. ნახ. 14, ერთი ამინომჟავის (ასპარაგინის) ნაცვლად იქნება მეორე (ალანინი). ანალოგიით, შემთხვევითი მუტაციები შეიძლება დაინერგოს სპეციალური დნმ პოლიმერაზას გამოყენებით, რომელიც იწვევს შეცდომების გაზრდილ რაოდენობას.

სურათი 14. უბნის სპეციფიკური მუტაგენეზის სქემა.C.elegans, - ანუ ამ ჭიის ყველა (თითქმის) უჯრედში გენის გამორთვის შესახებ.

ასეთი გასაოცარი ეფექტი მიიღწევა უჯრედში ორჯაჭვიანი რნმ-ის მოლეკულების (dsRNA) შეყვანით, რომელთაგან ერთ-ერთი ჯაჭვი ავსებს „გამორთული“ გენის mRNA განყოფილებას. ეს ხსნის საოცარ შესაძლებლობებს გენების ფუნქციების შესასწავლად. მანამდე, გენების გამორთვისთვის საჭირო იყო "ნოკაუტ" ცხოველების შექმნა (რაც მეცნიერებს ჯერ კიდევ უწევთ, მაგალითად, თაგვებთან - იხ. ნობელის პრემია ფიზიოლოგიასა და მედიცინაში მიენიჭა თაგვების ნოკაუტის ტექნოლოგიას ». - რედ.), რომელშიც შესწავლილი გენი ძირითადადარ არსებობს გენომში. თუმცა, ნოკაუტების შექმნა საკმაოდ რთულია და ასეთ ორგანიზმებში გენის ჩართვა უკვე შეუძლებელია. რნმ-ის ინტერფერენციის დახმარებით ძალიან ადვილია გენის გამორთვა, ისევე როგორც მისი ჩართვა, სხეულში შესაბამისი dsRNA-ს შეყვანის შეწყვეტის შემდეგ.

ორგანიზმში dsRNA შეყვანის სამი ძირითადი გზა არსებობს. ყველაზე აშკარაა მათი ხსნარის ცხოველში შეყვანა. ისინი ასევე იყენებენ რნმ-ის ხსნარში "გაჟღენთილ" ნემატოდებს. თუმცა, აღმოჩნდა, რომ თქვენ შეგიძლიათ ყველაფერი გააკეთოთ ბევრად უფრო მარტივად: მიაწოდეთ ეს მოლეკულები ნემატოდებს! უფრო მეტიც, განსაკუთრებით მოსახერხებელია, რომ ის ასევე მშვენივრად მუშაობს, თუ ნემატოდები იკვებება ბაქტერიებით ( E. coli), რომლებიც ასინთეზირებენ ამ dsRNA-ებს (სურ. 15).

სურათი 15. სისტემური რნმ ჩარევა.ჭია C.elegansგამოხატავს მწვანე ფლუორესცენტულ (ნათელ) ცილას ფარინქსის (ph) და სხეულის კედლის კუნთებში (bm). მარცხენა- თავდაპირველი გარეგნობა. Მარჯვნივ- რნმ-ის ჩარევის დროს ბაქტერიების მიერ „კვების“ დახმარებით ხდება გენის ინაქტივაცია.

პრინციპში, საკმაოდ გასაკვირია ის ფაქტი, რომ ნაწლავებიდან რნმ-ის მოლეკულები ნაწილდება თითქმის ყველა ქსოვილში. ცნობილია, რომ ცილის არხი პასუხისმგებელია რნმ-ის მოლეკულების ნაწლავის უჯრედებში შესვლაზე. sid-1, . თუმცა, ზუსტად არ არის ცნობილი, როგორ ნაწილდება რნმ ჭიის სხეულში, სავარაუდოდ ცილის მონაწილეობით. rsd-8საინტერესოა, რომ ყველა ცნობილი ცილა, რომელიც მონაწილეობს რნმ-ის სისტემურ ჩარევაში C.elegans, გვხვდება ადამიანებშიც, მაგრამ ადამიანებში სისტემურ დონეზე გენის აქტივობის ხელოვნური ჩახშობის ასეთი ეფექტური სისტემა ვერ შეინიშნება. თუ შესაძლებელი იქნებოდა ადამიანებში სისტემური რნმ-ის გამოყენება, ეს შეიძლება იყოს მრავალი დაავადების წინააღმდეგ ბრძოლის საშუალება, გაციებიდან დაწყებული კიბომდე.

სხვათა შორის, რნმ-ის ჩარევის გამოყენებამ კონკრეტულად ადამიანის უჯრედების კულტურაზე შესაძლებელი გახადა გამოეჩინა, რომ მრავალი ადამიანის გენი წვლილი შეიტანოსგრიპის ვირუსის განვითარება: მოლეკულური ორმაგი მოქმედება: ადამიანის გენები მუშაობს გრიპის ვირუსზე ». - რედ.

გენის ექსპრესიის შესწავლა: დნმ მიკროსარეივები

გენის ფუნქციის შესწავლისას ძალიან მნიშვნელოვანია იმის გარკვევა, თუ როდის და სხეულის რომელ ქსოვილებში მუშაობს (გამოიხატება), ასევე სხვა რა გენებთან ერთად. თუ გსურთ იცოდეთ ამის შესახებ მცირე რაოდენობის გენებისა და ქსოვილების შესახებ, მაშინ შეგიძლიათ ამის გაკეთება ძალიან მარტივად: რნმ-ის იზოლირება ქსოვილისგან, საპირისპირო ტრანსკრიფცია (ანუ cDNA-ს სინთეზი - დამატებითი დნმ) და შემდეგ ჩაატარეთ რაოდენობრივი PCR. იმის მიხედვით, გაიარა თუ არა PCR, ჩვენ გავარკვევთ, არის თუ არა ქსოვილში შესასწავლი გენის mRNA.

თუმცა, თუ იგივეა საჭირო მრავალი ქსოვილისა და მრავალი გენისთვის, მაშინ ეს ტექნიკა ძალიან გრძელი და ძვირი ხდება. ამ შემთხვევაში გამოიყენეთ დნმ მიკრომასივები. ეს არის პატარა ფირფიტები, რომლებზეც გამოიყენება და მიმაგრებულია დნმ-ის მოლეკულები, რომლებიც ავსებენ შესწავლილი გენების რნმ-ს და წინასწარ არის ცნობილი, სად არის მათზე (ფირფიტებზე) რომელი მოლეკულა მდებარეობს. ჩიპის შექმნის ერთ-ერთი გზა არის დნმ-ის მოლეკულების სინთეზირება პირდაპირ მასზე რობოტის გამოყენებით.

ჩიპების გამოყენებით გენის ექსპრესიის შესასწავლად, ასევე აუცილებელია მათი cDNA-ს სინთეზირება და მისი ეტიკეტირება ფლუორესცენტური საღებავით (სხვადასხვა გენის cDNA-ს გამოყოფის გარეშე). ეს ნარევი გამოიყენება მიკროჩიპზე, რაც უზრუნველყოფს cDNA ჰიბრიდიზაციას ჩიპზე არსებულ დნმ-ის მოლეკულებთან. ამის შემდეგ ისინი უყურებენ სად შეიმჩნევა ფლუორესცენცია და ადარებენ მას ჩიპზე დნმ-ის მოლეკულების მდებარეობას. თუ ფლუორესცენციის ადგილი ემთხვევა დნმ-ის მოლეკულის პოზიციას, მაშინ ეს გენი გამოხატულია ამ ქსოვილში. გარდა ამისა, სხვადასხვა ქსოვილის cDNA-ს სხვადასხვა საღებავით მარკირებით, შესაძლებელია ერთდროულად რამდენიმე (ჩვეულებრივ, არაუმეტეს 2) ქსოვილის ექსპრესიის შესწავლა ერთ ჩიპზე: ფლუორესცენციის ფერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას იმის დასადგენად, თუ რომელ ქსოვილშია. იგი გამოხატულია (თუ გამოიხატება ერთდროულად რამდენიმე ქსოვილში შერეული აღმოჩნდება). ფერი) (სურ. 16).

თუმცა, ბოლო წლებში, ჩიპების ნაცვლად, ქსოვილიდან მთელი cDNA-ს მასობრივი თანმიმდევრობა (ე.წ. ტრანსკრიპტომები), რომელიც მნიშვნელოვნად გამარტივდა თანმიმდევრობის მეთოდების შემუშავების გამო. ეს უფრო იაფი და ეფექტური აღმოჩნდება, რადგან ყველა mRNA-ის სრული თანმიმდევრობის ცოდნა უფრო მეტ ინფორმაციას გვაწვდის, ვიდრე უბრალოდ მათი ყოფნის ან არარსებობის ფაქტი.

ჩვენ განვიხილეთ მოლეკულური ბიოლოგიის ძირითადი მეთოდები. ვიმედოვნებ, რომ თქვენთვის ცოტა უფრო ნათელი გახდა, თუ როგორ ტარდება მოლეკულური ბიოლოგიური კვლევა, რისთვის არის ნობელის პრემიები და როგორ შეიძლება დაეხმაროს მათ ზოგიერთ პრაქტიკულ პრობლემაში. მაგრამ ყველაზე მეტად, ვიმედოვნებ, რომ თქვენც დაინახავთ მათ მიღმა არსებული იდეების სილამაზეს და, ალბათ, გსურთ მეტი გაიგოთ ამ ტექნიკის შესახებ.

ლიტერატურა

1. ნობელის პრემიის ლაურეატები: J. Watson, F. Crick, M. Wilkins; ვიკიპედია: 454-sequencing (მაღალი გამტარუნარიანობის დნმ-ის პიროსეკვენირება). ქოლდ სპრინგ ჰარბორის სიმპოზიუმი რაოდენობრივი ბიოლოგიის შესახებ. 71 , 95-100.

ვისთვის?საშუალო სკოლის მოსწავლეები, სტუდენტები.
რას იძლევა?მოლეკულური ბიოლოგიის საფუძვლების ცოდნა.
Მასწავლებლები.რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის გენის ბიოლოგიის ინსტიტუტის მიკროორგანიზმების მოლეკულური გენეტიკის ლაბორატორიის ხელმძღვანელი, რუტგერის უნივერსიტეტის პროფესორი (აშშ), სკოლკოვოს მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტის (SkolTech) პროფესორი.
Როდესაც?საჭიროა დაზუსტება.
ფასი. 9000 რუბლი.
მონაწილეობის პირობები.მონაწილეობისთვის განაცხადის დატოვება აუცილებელია საიტზე.

ბიოლოგიური წრეები. მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტი მ.ვ. ლომონოსოვი.

ვისთვის?მე-9-11 კლასები.
რას იძლევა?ბიოლოგიის ცოდნა, საპროექტო სამუშაოს შესრულების უნარი, ლაბორატორიაში მუშაობის უნარი.
Მასწავლებლები.მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ბიოლოგიური ფაკულტეტის თანამშრომლები.
Როდესაც?
ფასი.საჭიროა დაზუსტება.
მონაწილეობის პირობები.საჭიროა დაზუსტება.

მოსკოვის No1543 გიმნაზიის ბიოლოგიური განყოფილება სამხრეთ-დასავლეთში.

ვისთვის? 7-10 კლასები.
რას იძლევა?ბიოლოგიის გაფართოებული ცოდნა.
Მასწავლებლები.მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის თანამშრომლები, გიმნაზიის კურსდამთავრებულები.
Როდესაც?შესაძლებელია დასაქმების დაწყების თარიღის თვალყურის დევნება.
სავალდებულო მოთხოვნები.აუცილებელია მისაღები გამოცდების ჩაბარება.
ფასი.უფასო (არსებობს ნებაყოფლობითი შენატანი).
მონაწილეობის პირობები.გიმნაზიაში მიღება სრულფასოვანი განათლებისთვის.

სკოლა "Chem*Bio*Plus". რუსეთის ეროვნული კვლევითი სამედიცინო უნივერსიტეტი ნ.ი. პიროგოვი.

ვისთვის? 10-11 კლასები.
რას იძლევა?ბიოლოგიის, ქიმიის ცოდნა.
Როდესაც?კომპლექტი - ყოველწლიურად, სექტემბერში.
სავალდებულო მოთხოვნები. კომპლექტი ტესტის შედეგების საფუძველზე.
ფასი. 10,000 - 75,000 რუბლი (არის საცდელი გაკვეთილი).

აკადემია. "პოსტმეცნიერება".

ვისთვის?სკოლის მოსწავლეები, სტუდენტები.
რას იძლევა?

• ცოდნა ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის, ქიმიის, მედიცინის, მათემატიკის, ნეიროფიზიოლოგიის, გენეტიკის, სოციოლოგიის, კომპიუტერული მეცნიერების დარგში;
• ცოდნა იმის შესახებ, თუ როგორ გამოიყენება მეცნიერული განვითარება რეალურ ცხოვრებაში.

Მასწავლებლები.მაღალკვალიფიციური სპეციალისტები, მეცნიერები.
Როდესაც?შესაძლებელია დასაქმების თარიღების თვალყურის დევნება კონტაქტშიდა ფეისბუქი.
ფასი. 9000 რუბლი.
მონაწილეობის პირობები. თქვენ უნდა აკონტროლოთ სწორი კურსი. დარეგისტრირდით კურსზე და გადაიხადეთ კურსი.

პეტროზავოდსკი

პეტროზავოდსკის სახელმწიფო უნივერსიტეტის STEM ცენტრი.

ვისთვის? 1-11 კლასები.
რას იძლევა?დიზაინის, კვლევითი საქმიანობის უნარები პროგრამირების, ბიოლოგიის, ქიმიის, ფიზიკის დარგში.
Როდესაც?შესაძლებელია დასაქმების დაწყების თარიღის თვალყურის დევნება.
ფასი.საჭიროა დაზუსტება.
მონაწილეობის პირობები.პეტროზავოდსკის სკოლების მოსწავლეები.

პეტროზავოდსკის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ღია უნივერსიტეტის ლიცეუმი.

ვისთვის?მე-10 კლასი.
რას იძლევა?

• ტექნიკური მიმართულება (ფიზიკა, მათემატიკა, კომპიუტერული მეცნიერება, რუსული ენა);
• ბიოსამედიცინო (ქიმია, ბიოლოგია, რუსული ენა).

Როდესაც?შესაძლებელია დასაქმების დაწყების თარიღის თვალყურის დევნება.
ფასი.საჭიროა დაზუსტება.
მონაწილეობის პირობები.რუსეთის ფედერაციის მოქალაქეობა, განაცხადი, სწავლის საფასური.

მასტერკლასები

"უჯრედის სტრუქტურა და ფუნქციები" - გაკვეთილი მუზეუმში.

ვისთვის? 14-16 წლის.
რას იძლევა?

• პრაქტიკული უნარები ბიოლოგიაში;
• მიკროსკოპის უნარები;
• ექსპერიმენტის უნარი.

Როდესაც?საჭიროა დაზუსტება.
ფასი.საჭიროა დაზუსტება.
ხანგრძლივობა. 90 წუთი.
სპეციალური პირობები სტუმრობისთვის.თვის ბოლო სამშაბათი სანიტარული დღეა.
როგორ დავრეგისტრირდეთ?დატოვეთ მოთხოვნა საიტზე.

"სამყარო მიკროსკოპის ქვეშ".

ვისთვის? 6-16 წლის.
რას იძლევა?მიკროორგანიზმებზე, უჯრედის სტრუქტურაზე დაკვირვება მიკროსკოპის ქვეშ.
Როდესაც?საჭიროა დაზუსტება.
ფასი. 200 რ.
ხანგრძლივობა. 1 საათი.
სპეციალური პირობები სტუმრობისთვის.ჯგუფური მეცადინეობები (6 წლიდან ვიზიტორებისთვის) ტარდება შაბათ-კვირას და სკოლის არდადეგებზე გრაფიკის მიხედვით.
როგორ დავრეგისტრირდეთ?დატოვეთ მოთხოვნა საიტზე.

ქიმიის გაკვეთილი "ყველაზე საოცარი ნივთიერება დედამიწაზე".

ვისთვის? 14-16 წლის.
რას იძლევა?

• ცოდნა წყლის თვისებების შესახებ;
• ლაბორატორიული ექსპერიმენტების ჩატარების უნარი.

Როდესაც?საჭიროა დაზუსტება.
ფასი. 16000 რუბლი თითო 15 კაციანი ორმაგი ჯგუფისთვის.
ხანგრძლივობა. 90 წუთი.

ბანაკები

მოსკოვის რეგიონი

ქიმიის ბანაკი "სპილო და ჟირაფი".

ვისთვის?მე-9-11 კლასები.
Როდესაც?ყოველწლიურად.
რას იძლევა?

• ქიმიის ცოდნა;
• რეაგენტის უნარები.

Შენიშვნა:სასწავლო პროგრამები ცვლის ყოველ ცვლას, ამიტომ აუცილებელია მათი შინაარსის გარკვევა ორგანიზატორებთან.
Მასწავლებლები.სხვადასხვა სპეციალობის მაღალკვალიფიციური მედიკოსები, პროფესიონალი ბიოლოგები, მეცნიერები.
ფასი. 32000 რუბლი
მონაწილეობის პირობები.თქვენ უნდა მიმართოთ საიტზე.

სირიუსის საგანმანათლებლო ცენტრი. მიმართულება "მეცნიერება". ცვლის „ქიმია“, „ბიოლოგია“.

ვისთვის? 10-17 წლის.
რას იძლევა?ძირითადი საგნების სიღრმისეული ცოდნა, ჰორიზონტის გაფართოება და პიროვნული განვითარება.
Მასწავლებლები.მეცნიერები, წამყვანი უნივერსიტეტების, ფიზიკურ-მათემატიკური და ქიმიურ-ბიოლოგიური სკოლების მასწავლებლები, ეროვნული და რეგიონული გუნდების მწვრთნელები მათემატიკაში, ფიზიკაში, ქიმიასა და ბიოლოგიაში.
Როდესაც?ყოველწლიურად. შესაძლებელია დასაქმების თარიღების თვალყურის დევნება.
სავალდებულო მოთხოვნები.სპეციალიზებული საგნების ღრმა ცოდნა, სრულიად რუსული, საერთაშორისო ოლიმპიადების დონე.
ფასი.Თავისუფალია.
მონაწილეობის პირობები.მიმართეთ საიტზე. შესაძლებელია კონკურენტული შერჩევა. დეტალები უნდა შემოწმდეს ორგანიზატორებთან ან თვალყური ადევნოთ ვებგვერდზე.

უნივერსიტეტები

მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტი მ.ვ. ლომონოსოვი.

ბიოლოგიის კათედრა.
შექმნის წელი: 1930.
რას იძლევა?
კვალიფიკაცია:

რუსეთის ეროვნული კვლევითი სამედიცინო უნივერსიტეტი ნ.ი. პიროგოვი.

ბიოქიმიისა და მოლეკულური ბიოლოგიის კათედრა.
შექმნის წელი: 1963.
რას იძლევა?ამზადებს კვალიფიციურ სპეციალისტებს.
კვალიფიკაცია:სპეციალისტი, მომზადების პერიოდი - 6 წელი.

ნოვოსიბირსკი

ნოვოსიბირსკის სახელმწიფო უნივერსიტეტი.

საბუნებისმეტყველო ფაკულტეტი. ბიოლოგიური განყოფილება. მოლეკულური ბიოლოგიის კათედრა.
შექმნის წელი: 1959.
რას იძლევა?ამზადებს კვალიფიციურ სპეციალისტებს.
კვალიფიკაცია:ბაკალავრიატი, სწავლის ვადა - 4 წელი, მაგისტრატურა - 2 წელი.

ონლაინ კურსები

Რუსულად

"ნამდვილი მათემატიკა". ელექტრონული სკოლა „ზნანიკა“.

ვისთვის?მე-5-9 კლასები.
რას იძლევა?მათემატიკის ღრმა ცოდნა.
Როდესაც?ნებისმიერ დროს.
Მასწავლებლები.ქვეყნის წამყვანი უნივერსიტეტების ფიზიკურ-მათემატიკის, პედაგოგიურ მეცნიერებათა კანდიდატები, ასოცირებული პროფესორები, პროფესორები და პედაგოგები.
მონაწილეობის პირობები.რეგისტრაცია აუცილებელია.

ვირტუალური ქიმიური ლაბორატორია. მარის სახელმწიფო ტექნიკური უნივერსიტეტი.

ვისთვის? 8-11 კლასები.
რას იძლევა?ქიმიურ ლაბორატორიაში მუშაობის უნარი, რეალურ დროში ექსპერიმენტების ჩატარების უნარი.
ფასი. 3 500 - 9 000 რუბლი
მონაწილეობის პირობები.გადახდა.

მარკ ზენტრუმი. საერთაშორისო საგანმანათლებლო ონლაინ ცენტრი.

ვისთვის? 11 წლიდან.
რას იძლევა?საგანმანათლებლო პროგრამები ბიოლოგიაში, ქიმიაში, მათემატიკაში, უცხო ენებში.
Როდესაც?ინდივიდუალური გაკვეთილები შეთანხმებულია მასწავლებელთან. ჯგუფური მეცადინეობები ტარდება განრიგის მიხედვით.
Მასწავლებლები.ენათმეცნიერები, სპეციალიზებული საგნების პრაქტიკოსი მასწავლებლები.
ფასი.საცდელი გაკვეთილი უფასოა. ინდივიდუალური გაკვეთილები: ერთი გაკვეთილი - 450–1200 რუბლი, დამოკიდებულია გაკვეთილების რაოდენობაზე (მინიმუმ ხუთი) და გაკვეთილის ხანგრძლივობაზე. ჯგუფური გაკვეთილები: ერთი გაკვეთილი - 280–640 რუბლი.
უცხო ენების გაკვეთილების ღირებულება. საცდელი გაკვეთილი მშობლიურ ენაზე- გადახდილი: 10 ევრო. ერთი გაკვეთილის ღირებულება: 15-35 ევრო, გაკვეთილის ხანგრძლივობის მიხედვით.
ხანგრძლივობა.დამოკიდებულია მუშაობის ფორმაზე. ინდივიდუალური გაკვეთილი - 45–90 წუთი, ჯგუფური გაკვეთილი - 90 წუთი, ვებინარი - 120 წუთი. პირველი საცდელი გაკვეთილი 30-40 წუთია.
მონაწილეობის პირობები.შეავსეთ განაცხადი საცდელი გაკვეთილისთვის.
განსაკუთრებული პირობები.საჭირო მასალებს და სახელმძღვანელოებს მასწავლებელი უგზავნის ელექტრონული ფორმით (შესაძლებელია სასწავლო მასალის შეძენა ბეჭდური სახით).

Ინგლისურად

ლექცია. სიურპრიზები და აღმოჩენები კატალიზში.

ვისთვის?სკოლის მოსწავლეები, სტუდენტები.
რას იძლევა?კატალიზის უახლესი მიღწევების ცოდნა.
Მასწავლებლები.ერიკ მ. კარეირა, ციურიხის უნივერსიტეტის ორგანული ქიმიის პროფესორი.
Როდესაც?ნებისმიერ დროს.
ფასი.Თავისუფალია.

ვირტულაბი ქიმიაში ინგლისურად. შესაძლებელია რუსული ენის დაყენება.

ვისთვის?სტუდენტები.
რას იძლევა?რეალურ დროში ასობით რეაგენტთან ლაბორატორიაში მუშაობის უნარი.
Როდესაც?ნებისმიერ დროს.
ფასი.Თავისუფალია.

დეტექტიური ქიმიური ვირტულაბი. დანაშაულის გამოძიება ქიმიის ცოდნის დახმარებით.

ვისთვის?სკოლის მოსწავლეები, სტუდენტები.
რას იძლევა?ქიმიის ცოდნის თამაშში გამოყენების უნარი.
Როდესაც?ნებისმიერ დროს.
ძიების ხანგრძლივობა. 40-50 წუთი.
ფასი.Თავისუფალია.
მონაწილეობის პირობები.ჩამოტვირთეთ პროგრამა თქვენს კომპიუტერში.