В мир биохимии

После открытия состава и системы кодирования генетического материала наше понимание жизни сильно расширилось.

С 1970х годов новые мощные методы и приборы для клеточной и молеку­лярной биологии произвели революцию в исследовании ДНК, функ­ций генов, структур белков, а также регулирования и координации различных биохимических реакций в клетке. Примеры последних достижений в молекулярной и клеточной биологии.

За последние пять десятилетий эти новые методы и исследо­вания показали нам сложность клетки и молекулярной биологии. Молекулярные взаимодействия и разные регуляторные реакции и саморегулируемые циклы внутри клетки оказались многослой­ными и хорошо настроенными для реакции на различные внешние и внутренние сигналы. Сложность этих межклеточных молекуляр­ных сетей сейчас может быть проанализирована с помощью ком­пьютерных вычислений, и таким образом мы постепенно начинаем понимать биохимический мир, заключенный в наших клетках, то есть — молекулярные основы жизни.

Один из очень эффективных методов молекулярной биологии — использование ферментов эндонуклеаз рестрик­ции, выделенных из бактерий и архей. Эти ферменты позво­ляют аккуратно разрезать ДНК на специфические кусочки. Техника клонирования позволила лигировать (вставлять) любой фрагмент ДНК в разные векторы для клонирования (плазмиды или вирусы), способные независимо амплифицироваться (копироваться) в другом хозяине, например бак­терии или культивированной клетке животного. Полимеразная цепная реакция (ПЦР), которую в 1983 году приду­мал Кэри Бэнкс Маллис, очень эффективно амплифицирует последовательности ДНК, используя заранее синтезирован­ные одноцепочечные комплементарные ей фрагменты, при­лепляющиеся к специфическим местам исходной ДНК при: быстрых колебаниях температуры.

Амплифицированные молекулы ДНК могут быть легко выделены и проанализированы для определения их нуклеотидной последовательности. Изолированные последова­тельности можно также подвергнуть экспрессии как ш ийгр*^, для получения белков с целью структурного или функцио­нального исследования, так и в живой клетке, гп Ыгю9 для ис­следования реальных функций белка, его местонахождения или взаимодействия внутри клетки. Наши возможности пе­ренести ген в интересующие нас организмы, такие как бакг ^ терии или растения, позволяют направленно модифшпфо* вать эти организмы для улучшения их генетических свойсщ^ Этот генноинженерный подход уже используется во мнс$$$^­областях биотехнологии и. видимо, получит в будущем еще более широкое развитие.

Эффективные методы измерения уровней экспрессии генов (например, при использовании проб гомологичных нуклеиновых кислот) позволяют исследовать экспрессию интересующих нас генов при различных состояниях клетки и выяснить, как разные гены регулируют развитие и диффе­ренциацию многоклеточных растений и животных. С помо­щью автоматизированных методов установления последо­вательности ДНК можно определить огромное количество геномных последовательностей. Уже сейчас определены сложные геномные последовательности многих прокариотических и эукариотических организмов.

Было обнаружено (см. таблицу ниже), что размеры гено­мов варьируют в очень широком диапазоне.

У самой маленькой самостоятельно размножающейся бактерии (Мусор1а8та §епи:а1шт) геном состоит из 580 ооо нуклеотидов и содержит около 470 генов. В геноме малень­кого животного, например нематоды около юохю0 нуклеотидов и около 20 ооо генов. У челове­ка 3400 х ю* нуклеотидов и 32 ооо генов; у полиплоидных растений, например пшеницы, 17 ооо х нуклеотидов и 6о ооо генов; а у амебы более 670 ооо нуклеотидов, что является самым большим геномом среди всех известных форм жизни. Генетические последовательности продемон­стрировали большие вариации в размерах и сложности ге­номов, а также позволили судить о схожести геномов род­ственных видов. Оказалось, что разница между человеком и шимпанзе составляет 1% в последовательности ДНК.

Создание банков данных о последовательностях очень большого количества генов позволяет проводить система­тические исследования экспрессионных профилей разных РНК или продуктов генов внутри клетки. Это же дает воз­можность изучать их молекулярные взаимодействия и регуляторные отношения. В системной биологии эти цели достигаются автоматизированным и компьютерным спо­собом. Миниатюрные молекулярные датчики (мнкрочипы с большим набором разнообразных ДНК) используются для одновременного тестирования многих тысяч клеточных ви­дов РНК. Этим методом в реальном времени можно анали­зировать изменения экспрессии РНК при разных внешних условиях (таких, например, как стресс или фактор роста) для выяснения влияния этих факторов на экспрессию гена. Подобным же образом можно провести анализ общих про­филей клеточного белка или метаболита в разных условиях, чтобы посмотреть, как клетки реагируют на эти условия.