Molekula biologio

Molekula biologio estas la fako de biologio kiu esploras molekulojn esencajn por vivo. Molekula biologio esploras, interalie, la strukturojn kaj funkciojn de DNAj, RNAj kaj proteinoj de ĉeloj. Gentekniko ludas gravan rolon en tiu branĉo de biologio.

La struktura biologio estas branĉo de la molekula biologio, la biokemio kaj de la biofiziko, kiu studas la strukturon de biologiaj makromolekuloj.

Molekula biologio estas branĉo de biologio, kiu celas kompreni la molekulan bazon de biologia agado en kaj inter ĉeloj, inkluzive de biomolekula sintezo, modifado, mekanismoj, kaj interagoj.

Malgraŭ ke oni observis ĉelojn kaj aliajn mikroskopajn strukturojn en vivaj organismoj jam en la 18-a jarcento, detala kompreno de la mekanismoj kaj interagoj regantaj ilian konduton ne elmontriĝis ĝis la 20-a jarcento, kiam teknologioj uzataj en fiziko kaj kemio progresis sufiĉe por permesi ilian aplikadon en la biologiaj sciencoj. La terminon "molekula biologio" unue uzis en 1945 la angla fizikisto William Astbury, kiu priskribis ĝin kiel aliron fokusitan sur elĉerpado de la fundamentoj de biologiaj fenomenoj—t.e. malkovrado de la fizikaj kaj kemiaj strukturoj kaj ecoj de biologiaj molekuloj, same kiel iliaj interagoj kun aliaj molekuloj kaj kiel tiuj interagoj klarigas observojn de tiel nomata klasika biologio, kiu anstataŭe studas biologiajn procezojn je pli grandaj skaloj kaj pli altaj niveloj de organizaĵo. En 1953, Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin, kaj iliaj kolegoj ĉe la Medical Research Council Unit, Cavendish Laboratory, unue priskribis la duoblan heliksmodelon por la kemia strukturo de deoksi-ribonuklea acido (DNA), kio ofte konsideriĝas kiel markanta evento por la naskiĝanta kampo, ĉar ĝi provizis fiziko-kemian bazon per kiu kompreni la antaŭe neklarigan ideon pri nukleaj acidoj kiel la ĉefa substanco de biologia heredaĵo. Ili proponis tiun strukturon bazitan sur antaŭa esplorado farita de Franklin, kiun oni transdonis al ili de Maurice Wilkins kaj Max Perutz. Ilia laboro kondukis al la malkovro de DNA en aliaj mikroorganismoj, plantoj, kaj bestoj.

La kampo de molekula biologio inkluzivas teknikojn kiuj ebligas al sciencistoj lerni pri molekulaj procesoj. Tiuj teknikoj estas uzataj por efike celigi novajn medikamentojn, diagnozi malsanojn, kaj pli bone kompreni ĉelpisologion. Iuj klinikaj esploradoj kaj medicinaj terapioj elirantaj el molekula biologio estas kovritaj sub gena terapio, dum la uzado de molekula biologio aŭ molekula ĉelbiologio en medicino nun nomiĝas molekula medicino.

Historio de molekula biologio

Molekula biologio sidas ĉe la intersekciĝo de biokemio kaj genetiko; dum ĉi tiuj sciencaj disciplinoj elmontriĝis kaj evoluis en la 20-a jarcento, klare fariĝis ke ili ambaŭ celis determini la molekulajn mekanismojn kiuj subtendas vitajn ĉelajn funkciojn. Avanciĝoj en molekula biologio estis dense rilataj al la evoluo de novaj teknologioj kaj ilia optimaligo. Molekula biologio estas elklarigita per la laboro de multaj sciencistoj, kaj tial la historio de la kampo dependas de kompreno pri ĉi tiuj sciencistoj kaj iliaj eksperimentoj.

La kampo de genetiko leviĝis el provoj kompreni la serion da reguloj subtantaj reprodukton kaj heredon, kaj la naturon de la hipotetaj heredeccelluloj konataj kiel genoj. Gregor Mendel pioniris ĉi tiun laboron en 1866, kiam li unue priskribis la leĝojn de heredo kiujn li observis en siaj studoj de krucoj interrasaj en pizoplantoj. Unu el tia leĝo de genetika heredo estas la leĝo de apartigo, kiu indikas ke diploidaj individuoj kun du aleloj por specifa geno pasos unu el ĉi tiuj aleloj al sia idaro. Pro sia kritika laboro, la studo de genetika heredo estas ofte nomata Mendela genetiko.

Grava etapaĵo en molekula biologio estis la malkovro de la strukturo de DNA. Ĉi tiu laboro komenciĝis en 1869 de Friedrich Miescher, svisa biokemiisto kiu unue proponis strukturon nomatan nuklein, kiu nun sciiĝas esti (deoksi-ribonuklea acido), aŭ DNA. Li malkovris ĉi tiun unikan substancon studante la komponentojn de pusbazitaj bandagetoj, kaj rimarkante la unikajn ecojn de la "fosforon enhavaj substancoj". Alia rimarkinda kontribuanto al la modelo de DNA estis Phoebus Levene, kiu proponis la "polinukleotidmodelon" de DNA en 1919 kiel rezulton de siaj biokemiaj eksperimentoj pri pano. En 1950, Erwin Chargaff pluevoluis la laboron de Levene kaj elklarigis kelkajn kritikajn ecojn de nukleaj acidoj: unue, la serio de nukleaj acidoj varias inter specioj. Due, la tuta koncentriĝo de purinoj (adenino kaj guanino) ĉiam egalas la tutan koncentriĝon de pirimidinoj (citozino kaj timino). Tio nun estas konata kiel la regulo de Chargaff. En 1953, James Watson kaj Francis Crick publikigis la duoblan heliksan strukturon de DNA, bazitan sur la rontena kristalografia laboro farita de Rosalind Franklin kiu estis transdonita al ili de Maurice Wilkins kaj Max Perutz. Watson kaj Crick priskribis la strukturon de DNA kaj konsideris la implicaĵojn de ĉi tiu unika strukturo por eblaj mekanismoj de DNA-replikado. Watson kaj Crick ricevis la Nobelan Premion en Fiziologio aŭ Medicino en 1962, kune kun Wilkins, pro proponi modelon de la strukturo de DNA.

En 1961, oni montris ke kiam geno kodos proteon, tri sekvaj bazaĵoj de gena DNA specifas ĉiun sekvan aminoacidon de la proteino. Tial la genetika kodo estas tripleta kodo, kie ĉiu trioblo (nomata kodono) specifas apartan aminoacidon. Plue, oni montris ke la kodonoj ne supermetiĝas inter si en la DNA-serio kiu kodos proteon, kaj ke ĉiu serio estas legata de fiksa komencpunkto. Dum 1962–1964, per la uzo de kondiĉaj mortaj mutantoj de bakteria viruso, estis faritaj fundamentaj avanciĝoj en nia kompreno de la funkcioj kaj interagoj de la proteinoj uzataj en la aparataro de DNA-replikado, DNA-reparado, DNA-rekombinado, kaj en la asembleo de molekulaj strukturoj.

Eksperimento de Griffith

En 1928, Frederick Griffith renkontis virulentan eco en pneumokokaj bakterioj, kiu mortigis laboratoriajn ratojn. Laŭ Mendel, prevalanta tiam, la gena transiro povis okazi nur de gepatro al idoj. Griffith antaŭenigis alian teorion, asertante ke gena transiro okazanta en membro de sama generacio estas konata kiel horizontala gena transiro (HGT). Ĉi tiu fenomeno nun estas nomata gena transformiĝo.

La eksperimento de Griffith temis pri pneumokokaj bakterioj, kiuj havis du malsamajn stampojn, unu virulentan kaj glatan kaj unu nevirulentan kaj malsaman. La glata stampo havis brilan aperon pro la ĉeesto de specifa tipo de polisakkarido – polimero de glukozo kaj glucuron-acido kapsulo. Pro tiu polisakkarida tavolo de bakterioj, la imuna sistemo de gastiganto ne povas rekoni la bakteriojn kaj ĝi mortigas la gastiganton. La alia, nevirulenta, malglata stampo mankas tiun polisakkaridan kapsulon kaj havas malfacilan, malsmatan aperon.

La ĉeesto aŭ foresto de la kapsulo en la stampo estas konata esti genetike determinita. Glataj kaj malglata stampoj okazas en pluraj malsamaj tipoj, kiel S-I, S-II, S-III, ktp., kaj R-I, R-II, R-III, ktp. respektive. Ĉiuj la subtajpoj de S kaj R bakterioj malsamas inter si laŭ la antigen-tipo kiun ili produktas.

Eksperimento de Avery–MacLeod–McCarty

La eksperimento de Avery–MacLeod–McCarty estis marka studo farita en 1944 kiu montris ke DNA, ne proteino kiel antaŭe pensite, portas genetikan informon en bakterioj. Oswald Avery, Colin Munro MacLeod, kaj Maclyn McCarty uzis ekstrakton de stampo de pneumokokoj kiuj povis kaŭzi pneŭmonion ĉe musoj. Ili montris ke gena transformiĝo en la bakterioj povis okazi per enjektado de purigita DNA de la ekstrakto. Ili malkovris ke kiam ili digestis la DNA-on en la ekstrakto per DNazo, la transformiĝo de senperilaj bakterioj en virulentajn estis perdita. Tio provizis fortajn indicojn ke DNA estis la genetika materialo, defiante la prevalantan kredon ke proteinoj estis respondecaj. Tio estigis la bazon por la posta malkovro de ĝia strukturo de Watson kaj Crick.

Eksperimento de Hershey–Chase

Konfirmo ke DNA estas la genetika materialo kiu estas kaŭzo de infekto venis de la eksperimento de Hershey–Chase. Ili uzis E.coli-on kaj bakteriofagon por la eksperimento. Ĉi tiu eksperimento ankaŭ estas konata kiel blendera eksperimento, ĉar kuireja miksmakulilo estis uzata kiel ĉefa aparato. Alfred Hershey kaj Martha Chase montris ke la DNA enjektita de faga partiklo en bakterion enhavas ĉiun informon necesan por sintezigi idajn faga partiklojn. Ili uzis radioaktivecon por marki la proteinan tavolon de la bakteriofago per radioaktiva sulfuro kaj DNA-on per radioaktiva fosforo, en du malsamaj prov- tuboj respektive. Post miksaĵo de bakteriofago kaj E.coli en la prov- tubon, la inkubadoperiodo komenciĝas en kiu la fago transformas la genetikan materialon en la E.coli ĉelojn. Poste la miksaĵo estas blendita aŭ agitita, kiu apartigas la fagon de la E.coli ĉeloj. La tuta miksaĵo estas centrifugita kaj la sedimento kiu enhavas E.coli ĉelojn estis kontrolata kaj la supernatanto estis forĵetita. La E.coli ĉeloj montris radioaktivan fosforon, kio indikis ke la transformita materialo estis DNA, ne la proteina tavolo.

La transformita DNA atingas al la DNA de E.coli kaj la radioaktiveco nur videblas sur la DNA de la bakteriofago. Ĉi tiu mutaciita DNA povas esti transdonita al la sekva generacio kaj la teorio de Transduktado venis en ekziston. Transduktado estas procezo en kiu la bakteria DNA portas la fragmenton de bakteriofagoj kaj transdonas ĝin al la sekva generacio. Tio ankaŭ estas tipo de horizontala gena transiro.

Eksperimento de Meselson-Stahl

La eksperimento de Meselson-Stahl estis marka eksperimento en molekula biologio, kiu provizis pruvon por la duonkonserveca replikado de DNA. Kondukita en 1958 de Matthew Meselson kaj Franklin Stahl, la eksperimento implikis kreskigi bakteriojn E. coli en medio enhavanta pezan izotopon de nitrogeno (15N) dum pluraj generacioj. Tio kaŭzis ke ĉiuj nov-sintezitaj bakteriaj DNA-oj estu enkonstruitaj kun la peza izotopo.

Poste, post kiam la bakterioj estis permesitaj replikiĝi en medio enhavanta norman nitrogenon (14N), provajn prenojn estis faritaj je diversaj tempopunktoj. Ĉi tiuj provoj poste estis submetitaj al centrifugado en densa gradiento, kiu disigis la DNA-molekulojn laŭ ilia denseco.

La rezultoj montris ke post unu generacio de replikado en la 14N medio, la DNA formis zonon de meza denseco inter tiu de pura 15N DNA kaj pura 14N DNA. Tio subtenis la duonkonservecan replikadon de DNA proponitan de Watson kaj Crick, kie ĉiu fadeno de la gepatra DNA-molekulo servas kiel modelo por la sintezo de nova komplementa fadeno, rezultigante du filojn de filio-DNA, ĉiu konsistanta el unu gepatra kaj unu nova sintezita fadeno.

La eksperimento de Meselson-Stahl provizis konvinkan pruvon por la duonkonserveca replikado de DNA, kiu estas fundamenta por la kompreno de genetiko kaj molekula biologio.

Moderna molekula biologio

En la fruaj 2020-aj jaroj, molekula biologio eniris orepokon difinitan de kaj vertikala kaj horizontala teknika disvolviĝo. Vertikale, novaj teknologioj permesas realtempa monitorado de biologiaj procesoj ĉe la atomika nivelo. Molekulaj biologoj hodiaŭ havas aliron al pli kaj pli alireblaj datumaroj pri sekvenctrovo ĉe pli kaj pli profundaj niveloj, faciligante la disvolvon de novaj genetikaj manipulmetodoj en novaj ne-modelaj organismoj. Same, sintezaj molekulaj biologoj stimulos la industriajn produktojn de malgrandaj kaj makro-molekuloj per la enkonduko de eksteraj metabolikaj vojoj en diversaj prokariotaj kaj eŭkariotaj ĉellinioj.

Horizontale, datumaroj pri sekvenctrovo iĝas pli alireblaj kaj uzataj en multaj malsamaj sciencaj kampoj. Tio stimulos la disvolvon de industrioj en evoluigitaj nacioj kaj pligrandigos la alireblecon al individuaj esploristoj. Same, eksperimentoj pri genredaktado per CRISPR-Cas9 nun povas esti koncipataj kaj efektivigitaj de individuoj sub 10,000 USD en novaj organismoj, kio stimulos la disvolvon de industriaj kaj medicinaj aplikoj.

Rilato al aliaj biologiaj sciencoj

La jena listo priskribas vidpunkton pri la interdisciplinaj rilatoj inter molekula biologio kaj aliaj rilataj kampoj.

-Molekula biologio estas la studo de la molekulaj bazo de biologiaj fenomenoj, fokusante sur molekula sintezo, modifo, mekanismoj, kaj interagoj.

-Biokemio estas la studo de la kemiaj substancoj kaj vitalaj procesoj okazantaj en vivaj organismoj. Biokemiistoj forte fokusiĝas sur la rolon, funkcion, kaj strukturon de biomolekuloj kiel proteinoj, lipidoj, karbonhidratoj, kaj nukleaj acidoj.

-Genetiko estas la studo de kiel genetikaj diferencoj influas organismojn. Genetikistoj provas antaŭdiri kiel mutacioj, individuaj genoj, kaj genetikaj interagoj povas influadi la esprimon de fenotipo.

Dum esploristoj praktikas teknikojn specifajn al molekula biologio, estas kutime kombini ĉi tiujn kun metodoj de genetiko kaj biokemio. Multe de molekula biologio estas kvantiga, kaj lastatempe signifa kvanto de laboro estis farita uzante teknikojn de komputiko kiel bioinformatiko kaj komputila biologio. Molekula genetiko, la studo de genea strukturo kaj funkcio, estis inter la plej eminentaj subkampoj de molekula biologio ekde la fruaj 2000-aj jaroj. Aliaj branĉoj de biologio estas informitaj de molekula biologio, aŭ rekte studante la interagojn de molekuloj en sia propra direkto, kiel en ĉela biologio kaj evolubiltempa biologio, aŭ ne rekte, kie molekulaj teknikoj estas uzataj por supozi historiajn atributojn de populacioj aŭ specioj, kiel en kampoj de evolua biologio kiel populacia genetiko kaj filogenetiko. Ekzistas ankaŭ longa tradicio de studado de biomolekuloj "de la fundamento", aŭ molekule, en biofiziko.

Teknikoj de molekula biologio

Molekula klonado

Molekula klonado estas uzata por izoli kaj poste transigi DNA-sekvon de intereso en plasmidajn vektorojn. Ĉi tiu rekombina DNA-teknologio unue estis evoluigita en la 1960-aj jaroj. En ĉi tiu tekniko, DNA-sekvenco koda por proteino de intereso estas klonita uzante polimerazan ĉenonreakcion (PCR), kaj/aŭ restrikciajn enzimojn, en plasmidon (esprimo-vektoron). La plasmida vektoro kutime havas minimume 3 apartajn trajtojn: originon de replikado, lokon de multepla klonado (MCS), kaj selektivan markilon (ofte antibiotika rezisto). Krome, antaŭ la MCS estas la promotaj regionoj kaj la ekkomenco de transskribo, kiuj regulas la esprimon de klonita geno.

Ĉi tiu plasmido povas esti enmetita en aŭ bakterian aŭ bestan ĉelon. Introdukto de DNA en bakteriajn ĉelojn povas esti farita per transformado per preno de nuda DNA, konjugacio per ĉel-ĉela kontakto, aŭ per transduktado per virusa vektoro. Introdukto de DNA en eŭkariotajn ĉelojn, kiel ekzemple bestajn ĉelojn, per fizikaj aŭ kemiaj metodoj estas nomata transfekto. Disponeblas pluraj diversaj transfektaj teknikoj, kiel ekzemple transfekto per kalcia fosfato, elektroporacio, mikroinjekto, kaj liposoma transfekto. La plasmido povas integri en la genomon, rezultigante stabilan transfekton, aŭ resti sendependa de la genomo kaj esprimiĝi dumtempe, nomata tranzita transfekto.

DNA koda por proteino de intereso nun estas ene de ĉelo, kaj la proteino povas nun esti esprimita. Diversaj sistemoj, kiel ekzemple indukseblaj promotiloj kaj specifaj ĉel-signalantaj faktoroj, estas haveblaj por helpi esprimi la proteino de intereso je altaj niveloj. Grandaj kvantoj de proteino poste povas esti eltiritaj el la bakteria aŭ eŭkariota ĉelo. La proteino povas esti testita por enzimiga agado sub diversaj situacioj, la proteino povas esti kristaligita por ke ĝia tria strukturo povu esti studata, aŭ, en la farmacia industrio, la agado de novaj medikamentoj kontraŭ la proteino povas esti studata.

Polimeraza ĉenreakcio (PCR)

La polimeraza ĉenreakcio (PCR) estas ekstreme versatila tekniko por kopii DNA-on. Mallonge, PCR ebligas kopii aŭ modifi specifan DNA-sekvon laŭ antaŭdifinitaj manieroj. La reakcio estas tre potenca kaj sub perfektaj kondiĉoj povas amplifi unu DNA-molekulon por fariĝi 1.07 miliardoj da molekuloj en malpli ol du horoj. PCR havas multajn aplikaĵojn, inkluzive de la studo de gena esprimo, la detekto de patogena mikroorganismoj, la detekto de genetikaj mutacioj, kaj la enkonduko de mutacioj al la DNA. La PCR-tekniko povas esti uzata por enmeti restriktigilojn al la fino de DNA-molekuloj, aŭ por mutacii specifajn bazojn de DNA, la lasta estas metodo referata kiel direktema mutagenezo. PCR ankaŭ povas esti uzata por determini ĉu specifa DNA-fragmento estas trovata en cDNA-biblioteko. PCR havas multajn variaĵojn, kiel ekzemple inversa transskriba PCR (RT-PCR) por amplifi RNA-on, kaj, pli lastatempe, kvantitativa PCR kiu permesas kvantitativan mezuradon de DNA- aŭ RNA-molekuloj.

Ĝela elektroforezo

La ĝela elektroforezo estas tekniko kiu disigas molekulojn laŭ ilia grandeco uzante agarozan aŭ poliakrilamidan ĝelon. Tiu ĉi tekniko estas unu el la ĉefaj iloj de molekula biologio. La bazprincipo estas ke fragmentoj de DNA povas disiĝi per aplikado de elektra fluo tra la ĝelo - pro la fakto ke la DNA-bazaĵo enhavas negativajn ŝarĝitajn fosfatajn grupojn, la DNA migras tra la agaroz-ĝelo al la pozitiva fino de la fluo. Proteinoj ankaŭ povas disiĝi laŭ grandeco uzante SDS-PAGE-ĝelon, aŭ laŭ grandeco kaj ilia elektra ŝarĝo uzante tion kio estas konata kiel 2D ĝela elektroforezo.