Молекулярная биология и биологическая химия изучают. Молекулярный биолог

1. Введение.

Предмет, задачи и методы молекулярной биологии и генетики. Значение "классической" генетики и генетики микроорганизмов в становлении молекулярной биологии и генной инженерии. Понятие гена в "классической" и молекулярной генетике, его эволюция. Вклад методологии генной инженерии в развитие молекулярной генетики. Прикладное значение генной инженерии для биотехнологии.

2. Молекулярные основы наследственности.

Понятие о клетке, ее макромолекулярный состав. Природа генетического материала. История доказательства генетической функции ДНК.

2.1. Различные виды нуклеиновых кислот. Биологические функции нуклеиновых кислот. Химическое строение, пространственная структура и физические свойства нуклеиновых кислот. Особенности строения генетического материала про - и эукариот. Комплементарные пары оснований Уотсона-Крика. Генетический код. История расшифровки генетического кода. Основные свойства кода: триплетность, код без запятых, вырожденность. Особенности кодового словаря, семьи кодонов, смысловые и «бессмысленные» кодоны. Кольцевые молекулы ДНК и понятие о сверхспирализации ДНК. Топоизомеры ДНК и их типы. Механизмы действия топоизомераз. ДНК-гираза бактерий.

2.2. Транскрипция ДНК. РНК-полимераза прокариот, ее субъединичная и трехмерная структуры. Разнообразие сигма-факторов. Промотор генов прокариот, его структурные элементы. Стадии транскрипционного цикла. Инициация, образование “открытого комплекса”, элонгация и терминация транскрипции. Аттенюация транскрипции. Регуляция экспрессии триптофанового оперона. “Рибопереключатели”. Механизмы терминации транскрипции. Негативная и позитивная регуляция транскрипции. Лактозный оперон. Регуляция транскрипции в развитии фага лямбда. Принципы узнавания ДНК регуляторными белками (САР-белок и репрессор фага лямбда). Особенности транскрипции у эукариот. Процессинг РНК у эукариот. Кепирование, сплайсинг и полиаденилирование транскриптов. Механизмы сплайсинга. Роль малых ядерных РНК и белковых факторов. Альтернативный сплайсинг, примеры.

2.3. Трансляция , ее этапы, функция рибосом. Локализация рибосом в клетке. Прокариотический и эукариотический типы рибосом; 70S и 80S рибосомы. Морфология рибосом. Подразделение на субчастицы (субъединицы). Кодон-зависимое связывание аминоацил-тРНК в элонгационном цикле. Кодон-антикодоновое взаимодействие. Участие фактора элонгации EF1 (EF-Tu) в связывании аминоацил-тРНК с рибосомой. Фактор элонгации EF1В (EF-Ts), его функция, последовательность реакций с его участием. Антибиотики, воздействующие на этап кодон-зависимого связывания аминоацил-тРНК с рибосомой. Аминогликозидые антибиотики (стрептомицин, неомицин, канамицин, гентамицин и др.), механизм их действия. Тетрациклины как ингибиторы связывания аминоацил-тРНК с рибосомой. Инициация трансляции. Основные этапы процесса инициации. Инициация трансляции у прокариот: факторы инициации, инициаторные кодоны, 3¢-конец РНК малой рибосомной субчастицы и последовательность Шайна-Дальгарно в мРНК. Инициация трансляции у эукариот: факторы инициации, инициаторные кодоны, 5¢-нетранслируемая область и кэп-зависимая «концевая» инициация. «Внутренняя» кэп-независимая инициация у эукариот. Транспептидация. Ингибиторы транспептидации: хлорамфеникол, линкомицин, амицетин, стрептограмины, анизомицин. Транслокация. Участие фактора элонгации EF2 (EF-G) и ГТФ. Ингибиторы транслокации: фусидовая кислота, виомицин, их механизмы действия. Терминация трансляции. Терминирующие кодоны. Белковые факторы терминации прокариот и эукариот; два класса факторов терминации и механизмы их действия. Регуляция трансляции у прокариот.

2.4. Репликация ДНК и ее генетический контроль. Полимеразы, участвующие в репликации, характеристика их ферментативных активностей. Точность воспроизведения ДНК. Роль стерических взаимодействий между парами оснований ДНК при репликации. Полимеразы I, II и III E. coli. Субъединицы полимеразы III. Вилка репликации, “ведущая” и “отстающая” нити при репликации. Фрагменты Оказаки. Комплекс белков в репликационной вилке. Регуляция инициации репликации у E. соli. Терминация репликации у бактерий. Особенности регуляции репликации плазмид. Двунаправленная репликация и репликация по типу катящегося кольца.

2.5. Рекомбинация , ее типы и модели. Общая или гомологичная рекомбинация. Двухнитевые разрывы ДНК, инициирующие рекомбинацию. Роль рекомбинации в пострепликативной репарации двухнитевых разрывов. Структура Холлидея в модели рекомбинации. Энзимология общей рекомбинации у E. coli. RecBCD комплекс. RecA белок. Роль pекомбинации в обеспечении синтеза ДНК при повреждениях ДНК, прерывающих репликацию. Рекомбинация у эукариот. Ферменты рекомбинации у эукариот. Сайт-специфичная рекомбинация. Различия молекулярных механизмов общей и сайт-специфичной рекомбинации. Классификация рекомбиназ. Типы хромосомных перестроек, осуществляемых при сайт-специфичной рекомбинации. Регуляторная роль сайт-специфичной рекомбинации у бактерий. Конструирование хромосом многоклеточных эукариот с помощью системы сайт-специфичной рекомбинации фага.

2.6. Репарация ДНК. Классификация типов репарации. Прямая репарация тиминовых димеров и метилированного гуанина. Вырезание оснований. Гликозилазы. Механизм репарации неспаренных нуклеотидов (mismatch репарация). Выбор репарируемой нити ДНК. SOS-репарация. Свойства ДНК полимераз, участвующих в SOS-репарации у прокариот и эукариот. Представление об “адаптивных мутациях” у бактерий. Репарация двухнитевых разрывов: гомологичная пострепликативная рекомбинация и объединение негомологичных концов молекулы ДНК. Взаимосвязь процессов репликации, рекомбинации и репарации.

3. Мутационный процесс.

Роль биохимических мутантов в формировании теории один ген – один фермент. Классификация мутаций. Точковые мутации и хромосомные перестройки, механизм их образования. Спонтанный и индуцированный мутагенез. Классификация мутагенов. Молекулярный механизм мутагенеза. Взаимосвязь мутагенеза и репарации. Идентификация и селекция мутантов. Супрессия: внутригенная, межгенная и фенотипическая.

4. Внехромосомные генетические элементы.

Плазмиды, их строение и классификация. Половой фактор F, его строение и жизненный цикл. Роль фактора F в мобилизации хромосомного переноса. Образование доноров типа Hfr и F". Механизм конъюгации. Бактериофаги, их структура и жизненный цикл. Вирулентные и умеренные бактериофаги. Лизогения и трансдукция. Общая и специфическая трансдукция. Мигрирующие генетические элементы: транспозоны и IS-последовательности, их роль в генетическом обмене. ДНК-транспозоны в геномах прокариот и эукариот. IS-последовательности бактерий, их структура. IS-последовательности как компонент F-фактора бактерий, определяющего способность передачи генетического материала при конъюгации. Транспозоны бактерий и эукариотических организмов. Прямой нерепликативный и репликативный механизмы транспозиций. Представление о горизонтальном переносе транспозонов и их роли в структурных перерстройках (эктопическая рекомбинация) и в эволюции генома.

5. Исследование структуры и функции гена.

Элементы генетического анализа. Цис-транс комплементационный тест. Генетическое картирование с использованием конъюгации, трансдукции и трансформации. Построение генетических карт. Тонкое генетическое картирование. Физический анализ структуры гена. Гетеродуплексный анализ. Рестрикционный анализ. Методы секвенирования. Полимеразная цепная реакция. Выявление функции гена.

6. Регуляция экспрессии генов. Концепции оперона и регулона. Контроль на уровне инициации транскрипции. Промотор, оператор и регуляторные белки. Позитивный и негативный контроль экспрессии генов. Контроль на уровне терминации транскрипции. Катаболит-контролируемые опероны: модели лактозного, галактозного, арабинозного и мальтозного оперонов. Аттенюатор-контролируемые опероны: модель триптофанового оперона. Мультивалентная регуляция экспрессии генов. Глобальные системы регуляции. Регуляторный ответ на стрессы. Посттранскрипционный контроль. Сигальная трансдукция. Регуляция с участием РНК: малые РНК, сенсорные РНК.

7. Основы генной инженерии. Ферменты рестрикции и модификации. Выделение и клонирование генов. Векторы для молекулярного клонирования. Принципы конструирования рекомбинантных ДНК и их введения в реципиентные клетки. Прикладные аспекты генной инженерии.

а). Основная литература:

1. Уотсон Дж., Туз Дж., Рекомбинантные ДНК: Краткий курс. – М.: Мир, 1986.

2. Гены. – М.: Мир. 1987.

3. Молекулярная биология: структура и биосинтез нуклеиновых кислот. / Под ред. . – М. Высшая шк. 1990.

4. , – Молекулярная биотехнология. М. 2002.

5. Спирин рибосомы и биосинтез белка. – М.: Высшая школа, 1986.

б). Дополнительная литература:

1. Хесин генома. – М.: Наука. 1984.

2. Рыбчин генетической инженерии. – СПб.: СПбГТУ. 1999.

3. Патрушев генов. – М.: Наука, 2000.

4. Современная микробиология. Прокариоты (в 2-х тт.). – М.: Мир, 2005.

5. М. Сингер, П. Берг. Гены и геномы. – М.: Мир, 1998.

6. Щелкунов инженерия. – Новосибирск: Из-во Сиб. Унив., 2004.

7. Степанов биология. Структура и функции белков. – М.: В. Ш., 1996.

Комикс на конкурс «био/мол/текст»: Сегодня молекулярный биолог Пробирочка проведет вас по миру удивительной науки - молекулярной биологии! Мы начнем с исторического экскурса по этапам ее развития, опишем главные открытия и эксперименты, начиная с 1933 года. А также наглядно расскажем о главных методах молекулярной биологии, которые позволили манипулировать генами, изменять и выделять их. Появление этих методов послужило сильным толчком в развитии молекулярной биологии. А еще вспомним о роли биотехнологии и затронем одну из популярнейших тем в этой области - редактирование генома с помощью CRISPR/Cas-систем.

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» - .

Спонсор конкурса - компания «Диаэм» : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания .

«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »

1. Введение. Сущность молекулярной биологии

Изучает основы жизнедеятельности организмов на уровне макромолекул. Целью молекулярной биологии является установление роли и механизмов функционирования этих макромолекул на основе знаний об их структурах и свойствах.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих нуклеиновые кислоты и белки. В то время как биохимия исследует обмен веществ, химический состав живых клеток, организмов и осуществляемые в них химические процессы, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении механизмов передачи, воспроизведения и хранения генетической информации.

А объектом изучения молекулярной биологии являются сами нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновые (ДНК), рибонуклеиновые (РНК) - и белки, а также их макромолекулярные комплексы - хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биология также граничит по объектам исследования и частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, биохимией и рядом других смежных биологических наук.

2. Исторический экскурс по этапам развития молекулярной биологии

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

Впервые термин «молекулярная биология» применил в 1933 году Уильям Астбери в ходе исследования фибриллярных белков (коллагена, фибрина крови, сократительных белков мышц). Астбери изучал связь между молекулярной структурой и биологическими, физическими особенностями данных белков. На первых порах возникновения молекулярной биологии РНК считалась составляющей только растений и грибов, а ДНК - только животных. А в 1935 году открытие ДНК гороха Андреем Белозерским привело к установлению факта, что ДНК содержится в каждой живой клетке.

В 1940 году колоссальным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Тэйтемом причинно-следственной связи между генами и белками. Гипотеза ученых «Один ген - один фермент» легла в основу концепции о том, что специфичное строение белка регулируется генами. Полагается, что генетическая информация закодирована специальной последовательностью нуклеотидов в ДНК, которая регулирует первичную структуру белков. Позже было доказано, что многие белки имеют четвертичную структуру. В образовании таких структур принимают участие различные пептидные цепи. Исходя из этого, положение о связи между геном и ферментом было несколько преобразовано, и теперь звучит как «Один ген - один полипептид».

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери с коллегами (Колином Маклеодом и Маклином Маккарти) доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК, а не белки. Эксперимент послужил доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации, перечеркнув устаревшие знания о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сенгер показал, что белковая цепь - уникальная последовательность аминокислотных остатков. В 1951 и 1952 годах ученый определил полную последовательность двух полипептидных цепей - бычьего инсулина В (30 аминокислотных остатков) и А (21 аминокислотный остаток) соответственно.

Примерно в то же время, в 1951–1953 гг., Эрвин Чаргафф сформулировал правила о соотношении азотистых оснований в ДНК. Согласно правилу, вне зависимости от видовых различий живых организмов в их ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C).

В 1953 году доказана генетическая роль ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгенограммы ДНК, полученной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом , установили пространственную структуру ДНК и выдвинули подтвердившееся позднее предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.

1958 год - формирование центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсисом Криком: перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

Суть догмы состоит в том, что в клетках имеется определенный направленный поток информации от ДНК, которая, в свою очередь, представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Он записан в двойной спирали ДНК в виде последовательностей этих букв - нуклеотидов.

Этот текст транскрибируется. А сам процесс называется транскрипцией . В ходе данного процесса происходит синтез РНК, которая является идентичной генетическому тексту, но с отличием: в РНК вместо T стоит U (урацил).

Данная РНК называется информационной РНК (иРНК ), или матричной (мРНК ). Трансляция иРНК осуществляется при помощи генетического кода в виде триплетных последовательностей нуклеотидов. В ходе этого процесса происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного текста в двадцатибуквенный текст аминокислот.

Природных аминокислот существует всего двадцать, а букв в тексте нуклеиновых кислот четыре. Из-за этого происходит перевод из четырехбуквенного алфавита в двадцатибуквенный посредством генетического кода, в котором каждым трем нуклеотидам соответствует какая-либо аминокислота. Так можно сделать из четырех букв целые 64 трехбуквенные комбинации, притом что аминокислот 20. Из этого следует, что генетический код обязательно должен иметь свойство вырожденности. Однако в то время генетический код не был известен, к тому же его даже не начали расшифровывать, но Крик уже сформулировал свою центральную догму.

Тем не менее была уверенность в том, что код должен существовать. К тому времени было доказано, что этот код обладает триплетностью. Это означает, что конкретно три буквы в нуклеиновых кислотах (кодóны ) отвечают какой-либо аминокислоте. Этих кодонов всего 64, они кодируют 20 аминокислот. Это означает, что каждой аминокислоте отвечает сразу несколько кодонов.

Таким образом, можно сделать вывод, что центральная догма является постулатом, который гласит о том, что в клетке происходит направленный поток информации: ДНК → РНК → белок. Крик сделал акцент на главном содержании центральной догмы: обратного потока информации происходить не может, белок не способен изменять генетическую информацию.

В этом и заключается основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменять и преобразовывать информацию в ДНК (или РНК), поток всегда идет лишь в одну сторону.

Спустя время после этого был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы, - обратная транскриптаза , которая синтезирует ДНК по РНК. Фермент был открыт в вирусах, у которых генетическая информация закодирована в РНК, а не в ДНК. Такие вирусы называют ретровирусами. Они имеют вирусную капсулу с заключенными в нее РНК и специальным ферментом. Фермент и есть обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице этой вирусной РНК, а эта ДНК потом уже служит генетическим материалом для дальнейшего развития вируса в клетке.

Конечно, данное открытие вызвало большой шок и множество споров среди молекулярных биологов, поскольку считалось, что, исходя из центральной догмы, этого быть не может. Однако Крик сразу объяснил, что он никогда не говорил, что это невозможно. Он говорил лишь то, что никогда не может происходить поток информации от белка к нуклеиновым кислотам, а уже внутри нуклеиновых кислот любого рода процессы вполне возможны: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

После формулирования центральной догмы по-прежнему оставался ряд вопросов: как алфавит из четырех нуклеотидов, составляющих ДНК (или РНК), кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят белки? В чем состоит сущность генетического кода?

Первые идеи о существовании генетического кода сформулировали Александр Даунс (1952 г.) и Георгий Гамов (1954 г.). Ученые показали, что последовательность нуклеотидов должна включать в себя не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном (триплетом ). Тем не менее вопрос о том, какие нуклеотиды ответственны за включение какой аминокислоты в белковую молекулу, оставался открытым до 1961 года.

А в 1961 году Маршалл Ниренберг вместе с Генрих Маттеи использовали систему для трансляции in vitro . В роли матрицы взяли олигонуклеотид. В его состав входили только остатки урацила, а пептид, синтезированный с него, включал только аминокислоту фенилаланин. Таким образом впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин. Поле них Хар Корана выяснил, что последовательность нуклеотидов UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин-лейцин-серин-лейцин. По большому счету, благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был полностью разгадан. Выяснилось, что каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. А порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.

Главные принципы функционирования белков и нуклеиновых кислот сформулировали к началу 70-х годов. Было зафиксировано, что синтез белков и нуклеиновых кислот осуществляется по матричному механизму. Молекула-матрица несет закодированную информацию о последовательности аминокислот или нуклеотидов. При репликации или транскрипции матрицей служит ДНК, при трансляции и обратной транскрипции - иРНК.

Так были созданы предпосылки для формирования направлений молекулярной биологии, в том числе и генной инженерии. А в 1972 году Пол Берг с коллегами разработал технологию молекулярного клонирования. Ученые получили первую рекомбинантную ДНК in vitro . Эти выдающиеся открытия легли в основу нового направления молекулярной биологии, а 1972 год с тех пор считается датой рождения генной инженерии.

3. Методы молекулярной биологии

Колоссальные успехи в изучении нуклеиновых кислот, строении ДНК и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое значение в медицине, сельском хозяйстве и науке в целом.

После изучения генетического кода и основных принципов хранения, передачи и реализации наследственной информации для дальнейшего развития молекулярной биологии стали необходимы специальные методы. Эти методы позволили бы проводить манипуляции с генами, изменять и выделять их.

Появление таких методов произошло в 1970–1980-х годах. Это дало огромный толчок развитию молекулярной биологии. В первую очередь, эти методы напрямую связаны с получением генов и их внедрением в клетки других организмов, а еще с возможностью определения последовательности нуклеотидов в генах.

3.1. Электрофорез ДНК

Электрофорез ДНК является базовым методом работы с ДНК. Электрофорез ДНК применяется вместе почти со всеми остальными методами для выделения нужных молекул и дальнейшего анализа результатов. Сам метод электрофореза в геле используется для разделения фрагментов ДНК по длине.

Предварительно или после электрофореза гель обрабатывается красителями, которые способны связаться с ДНК. Красители флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, получается картина из полос в геле. Для определения длин фрагментов ДНК их можно сравнить с мáркерами - наборами фрагментов стандартных длин, которые наносятся на тот же гель.

Флуоресцентные белки

При исследовании эукариотических организмов в качестве генов-мáркеров сподручно использовать флуоресцентные белки. Ген первого зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP ) выделили из медузы Aqeuorea victoria , после чего внедрили в различные организмы. После выделяли гены флуоресцентных белков других цветов: синих, желтых, красных. Чтобы получить белки с интересующими свойствами, такие гены были модифицированы искусственно.

Вообще, важнейшими инструментами для работы с молекулой ДНК являются ферменты, осуществляющие ряд превращений ДНК в клетках: ДНК-полимеразы , ДНК-лигазы и рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы ).

Трансгенез

Трансгенезом называется перенос генов из одного организма в другой. А такие организмы называются трансгенными .

Рекомбинантные белковые препараты как раз получают методом переноса генов в клетки микроорганизмов. В основном такими белковыми препаратами являются интерфероны , инсулин , некоторые белковые гормоны, а также белки для производства ряда вакцин.

В иных случаях применяют клеточные культуры эукариот или трансгенных животных, по большей степени, скот, который выделяет нужные белки в молоко. Таким образом получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Метод трансгенеза используют для получения культурных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, а при помощи трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды.

Помимо всего перечисленного, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях, ведь развитие биологии происходит быстрее с применением методов модификации и переноса генов.

Рестриктазы

Распознаваемые рестриктазами последовательности являются симметричными, поэтому всякого рода разрывы могут происходить либо в середине такой последовательности, либо со сдвигом в одной или обеих нитях молекулы ДНК.

При расщеплении любой ДНК рестриктазой, последовательности на концах фрагментов будут одинаковыми. Они смогут снова соединяться, поскольку имеют комплементарные участки.

Получить единую молекулу можно, сшив данные последовательности при помощи ДНК-лигазы . За счет этого возможно объединять фрагменты двух разных ДНК и получать рекомбинантные ДНК.

3.2. ПЦР

В основе метода лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити так же, как при процессе репликации ДНК в клетке.

3.3. Секвенирование ДНК

Стремительное развитие метода секвенирования позволяет эффективно определять особенности исследуемого организма на уровне его генома. Главным преимуществом таких геномных и постгеномных технологий является увеличение возможностей исследования и изучения генетической природы заболеваний человека, для того чтобы заранее принять необходимые меры и избежать болезней.

За счет крупных исследований возможно получать необходимые данные о различных генетических характеристиках разных групп людей, тем самым развивая методы медицины. Из-за этого выявление генетической расположенности к различным заболеваниям сегодня пользуется огромной популярностью.

Подобные методы широко применимы практически во всем мире, в том числе и в России. Из-за научного прогресса происходит внедрение таких методов в медицинские исследования и медицинскую практику в целом.

4. Биотехнология

Биотехнология - дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов или их систем для решения технологических задач, а еще создания живых организмов с нужными свойствами путем генной инженерии. Биотехнология применяет методы химии, микробиологии, биохимии и, конечно же, молекулярной биологии.

Основные направления развития биотехнологии (принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей):

1. Создание и производство новых видов продуктов питания и кормов для животных.
2. Получение и изучение новых штаммов микроорганизмов.
3. Выведение новых сортов растений, а также создание средств для защиты растений от болезней и вредителей.
4. Применение методов биотехнологии для нужд экологии. Такие методы биотехнологии используют для переработки утилизации отходов, очистки сточных вод, отработанного воздуха и санации почв.
5. Изготовление витаминов, гормонов, ферментов, сывороток для нужд медицины. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, которые ранее считались неизлечимыми.

Крупным достижением биотехнологии является генная инженерия.

Генная инженерия - совокупность технологий и методов получения рекомбинантных молекул РНК и ДНК, выделения отдельных генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы (бактерий, дрожжи, млекопитающих). Такие организмы способны производить конечные продукты с нужными, измененными свойствами.

Методы генной инженерии направлены на конструирование новых, ранее не существовавших сочетаний генов в природе.

Говоря о достижениях генной инженерии, невозможно не затронуть тему клонирования. Клонирование - это один из методов биотехнологии, применяемый для получения идентичных потомков различных организмов при помощи бесполого размножения.

Иными словами, клонирование можно представить как процесс создания генетически идентичных копий организма или клетки. А клонированные организмы похожи или вовсе идентичны не только по внешним признакам, но и по генетическому содержанию.

Небезызвестная овечка Долли в 1966 году стала первым клонированным млекопитающим. Она была получена за счет пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Долли являлась генетической копией овцы-донора ядра клетки. В естественных условиях особь формируется из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив по половине генетического материала от двух родителей. Однако при клонировании генетический материал взяли из клетки одной особи. Сначала из зиготы удалили ядро, в котором находится сама ДНК. После чего извлекли ядро из клетки взрослой особи овцы и имплантировали его в ту лишенную ядра зиготу, а затем ее пересадили в матку взрослой особи и предоставили возможность для роста и развития.

Тем не менее не все попытки клонирования оказывались удачными. Параллельно с клонированием Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках. Но только в одном случае смогло полноценно развиться и вырасти живое взрослое животное. После Долли ученые пробовали клонировать и другие виды млекопитающих.

Одним их видов генной инженерии является редактирование генома.

Инструмент CRISPR/Cas базируется на элементе иммунной защитной системы бактерий, который ученые приспособили для внедрения каких-либо изменений в ДНК животных или растений.

CRISPR/Cas является одним из биотехнологических методов манипулирования отдельными генами в клетках. Существует огромное множество применений такой технологии. CRISPR/Cas позволяет исследователям выяснять функцию разных генов. Для этого нужно просто вырезать исследуемый ген из ДНК и изучить, какие функции организма были затронуты.

Некоторые практические применения системы:

1. Сельское хозяйство. За счет CRISPR/Cas-систем можно усовершенствовать сельскохозяйственные культуры. А именно, сделать их более вкусными и питательными, а также устойчивыми к жаре. Возможно наделить растения и другими свойствами: к примеру, вырезать из орехов (арахиса или фундука) ген аллергена.
2. Медицина, наследственные заболевания. У ученых есть цель применять CRISPR/Cas для удаления из человеческого генома мутаций, из-за которых могут развиваться заболевания, такие, как серповидноклеточная анемия и др. В теории, за счет CRISPR/Cas можно останавливать развитие ВИЧ.
3. Генный драйв. CRISPR/Cas может изменять не только геном отдельного животного или растения, но также и генофонд вида. Данная концепция известна как «генный драйв » . Всякий живой организм передает своему потомству половину генов. Но использование CRISPR/Cas может повышать вероятность передачи генов до 100%. Это важно для того, чтобы нужный признак быстрее распространился во всей популяции.

Швейцарские ученые значительно усовершенствовали и модернизировали метод редактирования генома CRISPR/Cas, тем самым расширив его возможности. Тем не менее ученые могли модифицировать только один ген за раз, используя CRISPR/Cas-систему. Но сейчас исследователи Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали метод, с помощью которого возможно одновременно модифицировать 25 генов в клетке.

Для новейшей методики специалисты использовали фермент Cas12a . Генетики впервые в истории успешно клонировали обезьян . «Популярная механика» ;

Молекулярный биолог – это исследователь в области медицины, миссия которого состоит, ни много ни мало, в спасении человечества от опасных болезней. Среди таких заболеваний, например, онкология, на сегодняшний день ставшая одной из главных причин смертности в мире, лишь немного уступая лидеру – сердечно-сосудистым заболеваниям. Новые методы ранней диагностики онкологии, предотвращения и лечения рака – приоритетная задача современной медицины. Молекулярные биологи в области онкологии разрабатывают антитела и рекомбинантные (генетически спроектированные) белки для ранней диагностики или целевой доставки лекарств в организме. Специалисты этой сферы используют самые современные достижения науки и техники для создания новых организмов и органических веществ с целью их дальнейшего использования в исследовательской и клинической деятельности. Среди методов, которые используют молекулярные биологи, – клонирование, трансфекция, инфекция, полимеразная цепная реакция, секвенирование генов и другие. Одна из компаний, заинтересованных в молекулярных биологах в России, – ООО «ПраймБиоМед». Организация занимается производством антител-реагентов для диагностики онкологических заболеваний. Такие антитела в основном используются для определения типа опухоли, ее происхождения и злокачественности, то есть способности к метастазированию (распространению в другие части организма). Антитела наносятся на тонкие срезы исследуемой ткани, после чего связываются в клетках с определенными белками – маркёрами, которые присутствуют в опухолевых клетках, но отсутствуют в здоровых и наоборот. В зависимости от результатов исследования назначается дальнейшее лечение. Среди клиентов «ПраймБиоМед» – не только медицинские, но и научные учреждения, так как антитела могут использоваться и для решения исследовательских задач. В таких случаях могут быть произведены уникальные антитела, способные связываться с исследуемым белком, под конкретную задачу по специальному заказу. Еще одно перспективное направление исследований компании – таргетная (целевая) доставка лекарств в организме. В данном случае антитела используются как транспорт: с их помощью лекарства доставляются непосредственно к пораженным органам. Таким образом, лечение становится более эффективным и имеет меньше негативных последствий для организма, чем, например, химиотерапия, которая поражает не только раковые, но и другие клетки. Профессия молекулярного биолога в ближайшие десятилетия, как ожидается, будет все более востребованной: с увеличением средней продолжительности жизни человека количество онкологических заболеваний будет увеличиваться. Ранняя диагностика опухолей и инновационные способы лечения с помощью полученных молекулярными биологами веществ позволят спасти жизнь и улучшить ее качество огромному количеству людей.

интервью

Пирогов Сергей - участник подготовки к олимпиаде по биологии, организованной "Слон и Жираф" в 2012 г.
Победитель международной универсиады по биологии
Победитель олимпиады «Ломоносов»
Призёр регионального этапа Всероссийской олимпиады по биологии в 2012 г.
Учится в МГУ им. М.В. Ломоносова на биологическом факультете: кафедре молекулярной биологии, на 6 курсе. Работает в лаборатории биохимической генетики животных Института молекулярной генетики.

- Серёжа, если у читателей появятся вопросы, они смогут их тебе задать?

Да, конечно, задать вопросы можно хоть сразу. В этом поле:

Нажмите, чтобы задать вопрос.

- Давай начнем со школы, у тебя вроде была не суперкрутая школа?

Я учился в весьма слабой московской школе школе, такой среднестатистической СОШ. Правда у нас была замечательная учительница по МХК, благодаря которой у нас появилась во многом номинальная "искусствоведческая" направленность школы.

- А что с биологией?

Биологию у нас вела очень пожилая, глуховатая и резкая женщина, которую все побаивались. Но любви к её предмету не прибавляло. Я же с детства был увлечён биологией, лет с пяти. Читал всё сам, в основном увлекаясь анатомией и зоологией. Так что школьные предметы существовали параллельно моим собственным интересам. Всё поменяли олимпиады.

- Расскажи об этом подробнее.

В 7 классе я впервые поучаствовал в муниципальном этапе (конечно, сразу почти по всем предметам, так как был единственным учеником, которого учителя имели основания отправить). И стал победителем по биологии. Тогда школа отнеслась к этому как к забавному, но не слишком интересному факту.

- Помогло ли это тебе в школе?

Помню, что несмотря на блестящую учёбу, нередко получал от преподавателя по биологии четвёрки с придирками вроде "на рисунке разреза луковицы корешки должны быть раскрашены коричневым, а не серым". Всё это было довольно удручающим. В 8 классе я снова пошёл на олимпиады, но по биологии меня почему-то не отправили. Зато стал победителем и призёром по другим предметам.

- А что было в 9 классе?

В 9 классе не пошёл на окружной этап. Там-то я неожиданно набрал слабенький, пограничный балл, который оказался всё же проходным на региональный этап. Это имело мощную мотивирующую силу - осознание того, как многого оказывается я не знаю и как много людей, всё это знающих (сколько таких людей в масштабе страны я даже боялся представить).

- Расскажи, как ты готовился.

Интенсивные самостоятельные занятие, набеги на книжные магазины и тысячи прошлогодних заданий возымели целительный эффект. Я набрал один из наибольших баллов за теорию (что тоже было для меня совершенно внезапным), прошёл на практический этап... и провалил его. В то время я ещё вообще не знал про существование практического этапа.

- Повлияла ли на тебя олимпиада?

Моя жизнь радикально изменилась. Я узнал про многие другие олимпиады, в особенности полюбил ШБО. Впоследствии на многих показывал хорошие результаты, некоторые выигрывал, благодаря "Ломоносовской" получил право на поступление без экзаменов. Параллельно я выигрывал олимпиады по истории искусства, к которому неровно дышу и поныне. Правда с практическими турами так и не дружил. В 11 классе я всё-таки дошёл до заключительного этапа, но Фортуна не была благосклонна и в этот раз я не успел заполнить матрицу ответов теоретического этапа. Зато это позволило уже не сильно беспокоиться за практический.

- Ты со многими олимпиадниками познакомился?

Да, до сих пор считаю, что мне очень повезло с кругом моих сверстников, изрядно расширивших мой кругозор. Другой стороной олимпиад, помимо мотивации более гармонично изучать предмет, было знакомство с олимпиадниками. Уже в то время я заметил, что горизонтальное общение подчас полезнее вертикального - с преподавателями на сборах.

- Как ты поступал в ВУЗ? Выбирал факультет?

После 11 класса я поступил на биофак МГУ. Как раз большинство моих тогдашних товарищей сделали выбор в пользу ФББ, но тут первоочередную роль сыграло то, что я не стал призёром всеросса. Значит мне надо было бы сдавать внутренний экзамен по математике, а в ней, особенно школьной - высшую я полюбил значительно больше - я был не силен. И в школе была очень слабая подготовка (нас даже не готовили к почти всей С части). В плане интересов уже тогда я догадывался, что, в конечном счёте, можно прийти к любому результату, вне зависимости от места поступления. Впоследствии выяснилось, что много есть и выпускников ФББ, переходивших в преимущественно мокрую биологию, и наоборот - многие хорошие биоинформатики начинали любителями. Хотя в тот момент мне и казалось, что на биофаке контингент будет не в пример слабее ФББшному. В этом я, безусловно, ошибался.

А Вы знали?

интересно

А Вы знали?

интересно

В лагере Слон и Жираф есть смены по биохимии и молекулярной биологии, где школьники вместе с опытными преподаватели из МГУ ставят эксперименты, а также готовятся к олимпиадам.

© Интервью брал Решетов Денис. Фотографии любезно предоставил Пирогов Сергей.