Введение

Молекулярная биология возникла во второй половине XX в. Название этой науки чаще всего связывают с именем У. Эстбюри, который в 1939 г. назвал себя «молекулярным биологом». Через два года он же получил первую рентгенограмму ДНК и тем самым положил начало изучению тонкой структуры «самой главной молекулы», впервые выявленной Ф. Мишером еще в 1869 г. Первое официальное упоминание о молекулярной биологии, вероятно, принадлежит У. Уиверу, руководившему отделом естественных наук Рокфеллеровского фонда, который в 1938 г. написал: «В тех пограничных областях, где химия и физика пересекаются с биологией, постепенно возникает новый раздел науки — молекулярная биология, начинающая приоткрывать завесы над многими тайнами, окутывающими основные элементы живой клетки».

Таким образом было постулировано возникновение нового направления современной биологии, которое интегрировало усилия биологов, химиков и физиков в области изучения объектов живой природы.

Разработка тонких физических и химических методов анализа структуры и функций молекул, свойственных всем живым системам и прежде всего клетке как элементарной и универсальной составляющей всех организмов, имела определяющее значение для рождения молекулярной биологии. Мощным стимулом для ее развития стали успехи и еще в большей мере нерешенные проблемы биохимии, цитологии и генетики. Эти сформировавшиеся к середине XX в. биологические науки создали почву для молекулярной биологии, которая была призвана заняться изучением жизни на молекулярном уровне.

Центром молекулярно-биологических исследований стали работы в области изучения материальных основ наследственности, природы генов и механизмов передачи наследственных признаков из поколения в поколение.

Именно под влиянием генетиков новой формации (Т. Моргана, Н. К. Кольцова, Н. В. Тимофеева-Ресовского и др.) физики-теоретики и экспериментаторы, эмигрировавшие в конце 30-х годов из Европы в США, организовали там так называемую «фаговую группу» во главе с М. Дельбрюком, которая начала исследования в области молекулярного строения и мутагенеза вирусов и бактериофагов.

Позднее эти работы были существенно развиты в нашей стране Б. Ф. Поглазовым, Н. А. Киселевым и другими учеными. Еще раньше В. А. Энгельгардт совместно с М. Н. Любимовой обосновали молекулярные механизмы мышечного сокращения, а А. Н. Белозерский впервые выделил ДНК из растений, что также относится к фундаментальным вехам становления молекулярной биологии.

Впоследствии именами этих замечательных ученых были названы крупнейшие научно-исследовательские центры: Институт молекулярной биологии АН СССР им. В. А. Энгельгардта и Институт физикохимической биологии им. А. Н. Белозерского.

К началу 50-х гг. XX в. в недрах биохимии были получены фундаментальные данные об элементарном строении белков и нуклеиновых кислот, включая сведения о способах организации полипептид- ных цепей белков, и, что особенно важно, о структуре нуклеотидов и закономерностях их количественного содержания в молекулах ДНК и РНК (Э. Чаргафф).

Именно указанные работы, а также биофизические исследования структуры ДНК, выполненные в Англии методом рентгеноструктурного анализа Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом, вплотную подвели воспитанника «фаговой группы» Джеймса Уотсона и английского физика Френсиса Крика к раскрытию молекулярной природы генов и механизма их воспроизведения (репликации) в составе ДНК.

Создание модели двойной спирали ДНК и открытие принципа комплементарности стали важнейшим событием современной биологии, вскрывшим фундаментальные принципы функционирования живых систем и определившим дальнейшие направления исследований современной биологии. Современное естествознание обязано именно молекулярной биологии тем, что в период с середины 50-х до середины 70-х гг. XX в. с невероятной быстротой были раскрыты природа и основные пути передачи и реализации генетической информации.

Основополагающие открытия молекулярной биологии

  • 1869 — Ф. Мишер (F. Miesher) впервые выделил ДНК из лейкоцитов и молок лосося.
  • 1935 — А. Н. Белозерский выделил ДНК из растений.
  • 1939 — В. А. Энгельгардт открыл АТРазную активность миозина.
  • 1940 — У. Эстбюри (Ж Astbury) получил первую рентгенограмму ДНК.
  • 1944 — О. Т. Эвери (О. Т. Avery) установил, что ДНК (а не белок, как полагали ранее) является носителем генетической информации.
  • 1951 — Л. Полинг и Р. Кори (L. Pauling, R. Corey) обосновали существование основных типов укладки аминокислотных остатков в полипептидных цепях белков (а-спираль и складчатый (3-слой).
  • 1953 — Дж. Уотсон и Ф. Крик (J. Watson, F. Crick) создали модель двойной спирали ДНК на основе рентгенограмм, полученных Р. Франклин и М. Уилкинсом (R. Franklin, М. Wilkins).
  • 1953 — Ф. Сангер (К Sanger) расшифровал первичную структуру инсулина быка.
  • 1956 — А. Корнберг (A. Kornberg) открыл ДНК-полимеразу.
  • 1956 — А. Н. Белозерский и А. С. Спирин предсказали существование мРНК.
  • 1960 — Дж. Кедрью (J. Kendrew) впервые описал трехмерную структуру миоглобина кашалота, а М. Перутц (М. Perutz) — структуру гемоглобина.
  • 1960 — одновременно в нескольких лабораториях был открыт фермент транскрипции — РНК-полимераза.
  • 1961 — Ф. Жакоб и Дж. Моно (F. Jakob, J. Monod) разработали модель оперона.
  • 1965—1967 — Р. Холли (К. Holley) выяснил первичную структуру аланиновой тРНК, а А. А. Баев — валиновой тРНК.
  • 1966 — М. Ниренберг, С. Очоа и Х.-Г. Корана (М. Nirenberg, S. Ochoa, H.-G. Khorana) расшифровали генетический код.
  • 1967 — М. Геллерт (М. Gellert) открыл ДНК-лигазу — фермент, способный соединять фрагменты ДНК.
  • 1970 — Г. Темин и Д. Балтимор (Н. Temin, D. Baltimor) открыли обратную транскриптазу (РНК-зависимую ДНК-полимеразу) в онко- генных вирусах.
  • 1972 — П. Боэр, С. Коэн и П. Берг (Р. Boyer, S. Cohen, Р. Berg) разработали технологию клонирования ДНК, заложили основы генетической инженерии.
  • 1972 — Х.-Г. Корана (H.-G. Khorana) осуществил химический синтез гена аланиновой тРНК.
  • 1975—1977 — Ф. Сангер (Р. Sanger), а также А. Максам и У. Гилберт (А. Махат, W. Gilbert) разработали методы быстрого определения первичной структуры ДНК.
  • 1975 — Ф. Сангер (F. Sanger) расшифровал нуклеотидную последовательность ДНК фага фХ174.
  • 1976 — У. Гилберт (W. Gilbert) открыл мозаичное строение генов эукариот.
  • 1976 — С. Ким, А. Рич и А. Клуг (S. Kim, A. Rich, A. Klug) определили третичную структуру тРНК.

В результате выдающихся открытий Дж. Уотсона, Ф. Крика, Х.-Г. Кораны, А. Корнберга и других крупнейших молекулярных биологов, удостоенных Нобелевских премий, уже в середине 60-х гг. XX в. окончательно утвердился основной постулат молекулярной генетики, формулирующий магистральный путь реализации генетической информации в клетке:

ю

Затем были детально изучены механизмы воспроизведения (репликации) ДНК, транскрипции (биосинтеза РНК) и трансляции (биосинтеза белка). Параллельно развивались работы по изучению внутриклеточной локализации этих процессов, что привело к осознанию функционального значения внутриклеточных компонентов (ядра, митохондрий, рибосом и др.) и дало основание Дж. Уотсону в 1968 г. для определения молекулярной биологии: «Молекулярная биология изучает связь структуры биологических макромолекул и основных клеточных компонентов с их функцией, а также основные принципы и механизмы саморегуляции клеток, которые опосредуют согласованность и единство всех протекающих в клетке процессов, составляющих сущность жизни».

Впоследствии центральный постулат молекулярной генетики был дополнен представлениями о существовании процесса обратной транскрипции (о биосинтезе ДНК на матрице РНК) и репликации РНК, что позволило придать ему следующий вид:

Одновременно все более детализировались представления о строении и функциях белков, необходимых для катализа (ферменты) и регуляции (регуляторные белки, пептидные гормоны) всех важнейших молекулярно-генетических процессов.

Открытие и разработка методов целенаправленного использования целого ряда ферментов (обратной транскриптазы, ДНК- рестриктаз и др.) привели к созданию технологии получения рекомбинантных ДНК, возникновению генетической инженерии, что стало поистине революционным событием в истории молекулярной биологии.

В конце 70-х и начале 80-х гг. XX в. молекулярная биология вступает в период расцвета. В это время выясняются механизмы сплайсинга (В. Келлер и др.), происходит открытие РНК-ферментов (рибозимов) и аутосплайсинга (Т. Чек), активно изучаются механизмы генетической рекомбинации и подвижные генетические элементы (Д. Хог- несс, Г. П. Георгиев), на новый уровень выходят работы в области структуры ферментов и биологических мембран (Ю. А. Овчинников), начинаются работы по расшифровке структуры геномов высших организмов (включая геном человека), создаются основы новых (генно-инженерных) биотехнологий, обнаруживаются и синтезируются каталитически активные антитела (абзимы), возникает белковая инженерия.

Постепенно молекулярная биология становится в центре наук, составляющих современную физико-химическую биологию:

и

Бурное развитие молекулярной биологии привело в начале 1980-х гг. к возникновению новой науки — биоинформатики (вычислительной биологии, компьютерной генетики), возникшей на стыке молекулярной генетики и информатики. Толчком к ее возникновению послужило появление быстрых методов определения нуклеотидных последовательностей ДНК, разработанных в 1975—1976 гг. Ф. Сангером и А. Коулсоном, а также А. Максамом и У. Гилбертом. В 1982 г. были организованы банки нуклеотидных последовательностей: Gen Bank в США и EMBL в Европе, в которых концентрировалась информация о расшифрованных нуклеотидных последовательностях ДНК различных организмов. Постепенно биоинформатика включилась в разработку ряда важных молекулярно-биологических проблем, включая: статистический анализ нуклеотидных последовательностей ДНК; предсказание функций по первичной структуре биополимеров (ДНК, РНК и белков); анализ (моделирование) пространственной структуры белков и нуклеиновых кислот; теорию молекулярной эволюции и систематики.

Прогресс в области определения нуклеотидных последовательностей (секвенирования) ДНК различных организмов, достигнутый в конце XX в. (в 1995 г. был секвенирован первый бактериальный геном, в 1997 г. — геном дрожжей, в 1998 г. — геном нематоды, в 2000 г. — геном дрозофилы и почти полностью — геном человека), привел к возникновению геномики — науки, изучающей наборы всех генов данного организма как единое целое. Одновременно возникла протеомика — наука, исследующая полные наборы белков, функционирующих на различных этапах развития того или иного организма.

В конце XX в. расширяются и становятся все более целенаправленными в научно-практическом отношении задачи молекулярной биологии, среди которых:

  • — расшифровка структуры геномов;
  • — создание банков генов;
  • — геномная дактилоскопия;
  • — изучение молекулярных основ эволюции, дифференцировки, биоразнообразия, развития и старения, канцерогенеза, иммунитета идр.;
  • — создание методов диагностики и лечения генетических болезней, вирусных заболеваний;

— создание новых биотехнологий производства пищевых продуктов и разнообразных биологически активных соединений (гормонов, антигормонов, релизинг-факторов, энергоносителей и др.).

В первые десятилетия XXI в. мировое признание получили достижения молекулярной биологии в области изучения структуры рибосом, регуляции транскрипции, репликации теломерных участков хромосом и другие исследования, удостоенные Нобелевских премий.

Нобелевские премии 2001—2017 гг. за достижения в области молекулярной биологии:

  • 2001 г. — Л. Хартвелл, Т. Хант, П. Нерс «За открытие ключевых регуляторов клеточного цикла» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2002 г. — С. Бреннер, Р. Хорвиц, Д. Салсон «За открытия в области генетического регулирования развития человеческих органов» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2002 г. — Д. Фенн, К. Танака, К. Вютрих «За разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул и, в частности, за разработку метода масс- спектрофометрического анализа биологических макромолекул» (Нобелевская премия по химии);
  • 2004 г. — А. Гершко, И. Роуз «За открытие убиквитин-опосредо- ванной деградации белков» (Нобелевская премия по химии);
  • 2006 г. — Э. Файер, К. Мелло «За открытие РНК-интерференции — эффекта гашения активности определенных генов» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2006 г. — Р. Корнберг «За исследование механизма копирования клетками генетической информации» (Нобелевская премия по химии);
  • 2007 г. — М. Капеччи, М. Эванс, О. Смитис «За открытие принципов введения специфических генных модификаций у мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2008 г. — Ф. Барре-Синусси, Л. Монтанье «За открытие ВИЧ» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2008 г. — О. Симомура, М. Чалфи, Р. Тсьен «За открытие и развитие зеленого флуоресцентного белка» (Нобелевская премия по физиологии и медицине).
  • 2006 г. — Р. Рамакришнан, Т. Стейц, А. Йонат «За исследование структуры и функций рибосомы» (Нобелевская премия по химии);
  • 2009 г. — Э. Блекборн, К. Грейдер, Д. Шостак «За открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2014 — Э. Бетциг, У. Мёрнер, Ш. Хелль «За создание флюоресцентной микроскопии высокого разрешения» (Нобелевская премия по химии);
  • 2015 — Т. Линдаль, П. Модрич, А. Санджар «За механистические исследования репарации ДНК» (Нобелевская премия по химии);
  • 2016 — Ёсинори Осуми «За открытие механизмов аутофагии» (Нобелевская премия по физиологии и медицине);
  • 2017 — Д. Холл, М. Росбаш, М. Янг «За открытия молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом» (Нобелевская премия по физиологии и медицине).

Начало нового тысячелетия ознаменовалось выдающимся событием — расшифровкой нуклеотидной последовательности генома человека, с которой связаны надежды на решение многих проблем человечества (коррекция наследственных заболеваний, продление жизни и т. д.).

Таким образом, по праву считается, что XXI в. должен стать веком молекулярной биологии и новых биотехнологий, призванных освободить человечество от тяжкого груза болезней, пороков и лишений и заложить основы его будущего процветания.

Тема 1

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >