Молекулярна біологія і біологічна хімія вивчають. молекулярний біолог

1. Введення.

Предмет, завдання і методи молекулярної біології і генетики. Значення "класичної" генетики і генетики мікроорганізмів в становленні молекулярної біології та генної інженерії. Поняття гена в "класичної" і молекулярної генетики, його еволюція. Внесок методології генної інженерії в розвиток молекулярної генетики. прикладне значення генної інженерії для біотехнології.

2. Молекулярні основи спадковості.

Поняття про клітину, її макромолекулярний склад. Природа генетичного матеріалу. Історія докази генетичної функції ДНК.

2.1. Різні види нуклеїнових кислот. біологічні функції нуклеїнових кислот. Хімічна будова, просторова структура та фізичні властивості нуклеїнових кислот. Особливості будови генетичного матеріалу про - і еукаріот. Комплементарні пари підстав Уотсона-Кріка. Генетичний код. Історія розшифровки генетичного коду. Основні властивості коду: триплетність, код без ком, вирожденність. Особливості кодового словника, сім'ї кодонів, смислові і «безглузді» кодони. Кільцеві молекули ДНК і поняття про сверхспіралізаціі ДНК. Топоізомери ДНК і їх типи. Механізми дії топоізомераз. ДНК-гіраза бактерій.

2.2. Транскрипція ДНК. РНК-полімераза прокариот, її суб'едінічная і тривимірна структури. Різноманітність сигма-факторів. Промотор генів прокаріотів, його структурні елементи. Стадії транскрипції циклу. Ініціація, освіту "відкритого комплексу", елонгація і термінація транскрипції. Аттенюаціі транскрипції. Регуляція експресії триптофанового оперона. "Рібопереключателі". Механізми термінації транскрипції. Негативна і позитивна регуляція транскрипції. Лактозна оперон. Регуляція транскрипції в розвитку фага лямбда. Принципи впізнавання ДНК регуляторними білками (САР-білок і репрессор фага лямбда). Особливості транскрипції в еукаріот. Процесинг РНК у еукаріот. Кепірованіе, сплайсинг і поліаденілювання транскриптов. Механізми сплайсингу. Роль малих ядерних РНК і білкових факторів. Альтернативний сплайсинг, приклади.

2.3. трансляція, Її етапи, функція рибосом. Локалізація рибосом в клітці. Прокариотический і еукаріотичний типи рибосом; 70S і 80S рибосоми. Морфологія рибосом. Підрозділ на субчастіци (субодиниці). Кодон-залежне зв'язування аміноацил-тРНК в елонгаціонном циклі. Кодон-антикодоновая взаємодія. Участь фактора елонгації EF1 (EF-Tu) в зв'язуванні аміноацил-тРНК з рибосомою. Фактор елонгації EF1В (EF-Ts), його функція, послідовність реакцій з його участю. Антибіотики, що впливають на етап кодон-залежного зв'язування аміноацил-тРНК з рибосомою. Аміноглікозиди антибіотики (стрептоміцин, неоміцин, канаміцин, гентаміцин і ін.), Механізм їх дії. Тетрацикліни як інгібітори зв'язування аміноацил-тРНК з рибосомою. Ініціація трансляції. Основні етапи процесу ініціації. Ініціація трансляції у прокаріотів: фактори ініціації, ініціаторние кодони, 3 ¢-кінець РНК малої рибосомной субчастіци і послідовність Шайна-Дальгарно в мРНК. Ініціація трансляції у еукаріот: фактори ініціації, ініціаторние кодони, 5 ¢ -нетрансліруемая область і кеп-залежна «кінцева» ініціація. «Внутрішня» кеп-незалежна ініціація у еукаріот. Транспептідаціі. Інгібітори транспептідаціі: хлорамфенікол, лінкоміцин, аміцетін, стрептограміни, анізоміцін. Транслокация. Участь фактора елонгації EF2 (EF-G) і ГТФ. Інгібітори транслокации: фусідовая кислота, виомицин, їх механізми дії. Терминация трансляції. Терминирующего кодони. Білкові фактори термінації прокаріотів і еукаріотів; два класи факторів термінації і механізми їх дії. Регуляція трансляції у прокаріотів.

2.4. реплікація ДНК і її генетичний контроль. Полімерази, які беруть участь в реплікації, характеристика їх ферментативних активностей. Точність відтворення ДНК. Роль стеріческіх взаємодій між парами основ ДНК при реплікації. Полімерази I, II і III E. coli. Субодиниці полімерази III. Вилка реплікації, "провідна" і "відстає" нитки при реплікації. Фрагменти Окадзакі. Комплекс білків в вилці реплікації. Регуляція ініціації реплікації у E. соli. Терминация реплікації у бактерій. Особливості регуляції реплікації плазмід. Двунаправленная реплікація і реплікація за типом кільця, що котиться.

2.5. рекомбінація, Її типи і моделі. Загальна або гомологічних рекомбінація. Двухнитьові розриви ДНК, які ініціюють рекомбінацію. Роль рекомбінації в постреплікатівной репарації двохниткових розривів. Структура Холлідея в моделі рекомбінації. Ензимологія загальної рекомбінації у E. coli. RecBCD комплекс. RecA білок. Роль pекомбінаціі в забезпеченні синтезу ДНК при пошкодженнях ДНК, що переривають реплікацію. Рекомбінація у еукаріот. Ферменти рекомбінації у еукаріотів. Сайт-специфічна рекомбінація. Відмінності молекулярних механізмів загальної і сайт-специфічної рекомбінації. Класифікація рекомбіназа. Типи хромосомних перебудов, що здійснюються при сайт-специфічної рекомбінації. Регуляторна роль сайт-специфічної рекомбінації у бактерій. Конструювання хромосом багатоклітинних еукаріот за допомогою системи сайт-специфічної рекомбінації фага.

2.6. Репарація ДНК. Класифікація типів репарації. Пряма репарація тимінових димарів і метилованого гуаніну. Вирізання підстав. Глікозілази. Механізм репарації неспарених нуклеотидів (mismatch репарація). Вибір репаріруемой нитки ДНК. SOS-репарація. Властивості ДНК полімерази, що беруть участь в SOS-репарації у прокаріотів і еукаріотів. Подання про "адаптивних мутаціях" у бактерій. Репарація двохниткових розривів: гомологичная постреплікатівной рекомбінація і об'єднання негомологічних решт молекули ДНК. Взаємозв'язок процесів реплікації, рекомбінації і репарації.

3. Мутаційний процес.

Роль біохімічних мутантів у формуванні теорії один ген - один фермент. Класифікація мутацій. Точкові мутації і хромосомні перебудови, механізм їх утворення. Спонтанний та індукований мутагенез. Класифікація мутагенів. Молекулярний механізм мутагенезу. Взаємозв'язок мутагенезу і репарації. Ідентифікація та селекція мутантів. Супресія: внутрігенних, міжгенних і фенотипическая.

4. позахромосомних генетичні елементи.

Плазміди, їх будова і класифікація. Статевий фактор F, його будова і життєвий цикл. Роль фактора F в мобілізації хромосомного перенесення. Освіта донорів типу Hfr і F ". Механізм кон'югації. Бактеріофаги, їх структура і життєвий цикл. Вірулентні і помірні бактеріофаги. Лізогенія і трансдукція. Загальна і специфічна трансдукция. Мігруючі генетичні елементи: транспозони і IS-послідовності, їх роль в генетичному обміні. ДНК -транспозони в геномах прокаріотів і еукаріотів. IS-послідовності бактерій, їх структура. IS-послідовності як компонент F-фактора бактерій, що визначає здатність передачі генетичного матеріалу при кон'югації. Транспозони бактерій і еукаріотичних організмів. Прямий нереплікатівний і реплікативний механізми транспозиція. Подання про горизонтальному перенесення транспозони і їх ролі в структурних перерстройках (ектопічна рекомбінація) і в еволюції геному.

5. Дослідження структури і функції гена.

Елементи генетичного аналізу. Цис-транс комплементаціонний тест. Генетичне картування з використанням кон'югації, трансдукції і трансформації. побудова генетичних карт. Тонке генетичне картування. Фізичний аналіз структури гена. Гетеродуплексний аналіз. Рестрикційний аналіз. Методи секвенування. полімеразна ланцюгова реакція. Виявлення функції гена.

6. Регуляція експресії генів. Концепції оперона і регулона. Контроль на рівні ініціації транскрипції. Промотор, оператор і регуляторні білки. Позитивний і негативний контроль експресії генів. Контроль на рівні термінації транскрипції. Катаболіт-контрольовані Оперон: моделі лактозного, галактозна, арабінозного і мальтозного оперонов. Атенюатор-контрольовані Оперон: модель триптофанового оперона. Мультівалентная регуляція експресії генів. Глобальні системи регуляції. Регуляторний відповідь на стреси. Посттранскрипційна контроль. Сігальная трансдукция. Регуляція за участю РНК: малі РНК, сенсорні РНК.

7. Основи генної інженерії. Ферменти рестрикції і модифікації. Виділення і клонування генів. Вектори для молекулярного клонування. Принципи конструювання рекомбінантних ДНК і їх введення в реціпіентние клітини. Прикладні аспекти генної інженерії.

а). Основна література:

1. Уотсон Дж., Туз Дж., Рекомбінантні ДНК: Короткий курс. - М .: Мир, 1986.

2. Гени. - М .: Мир. 1 987.

3. Молекулярна біологія: структура та біосинтез нуклеїнових кислот. / Под ред. . - М. Вища шк. 1990.

4., - Молекулярна біотехнологія. М. 2002.

5. Спірін рибосоми і біосинтез білка. - М .: вища школа, 1986.

б). Додаткова література:

1. Хесин генома. - М .: Наука. 1984.

2. Рибчине генетичної інженерії. - СПб .: СПбГТУ. Тисячу дев'ятсот дев'яносто дев'ять.

3. Патрушев генів. - М .: Наука, 2000..

4. Сучасна мікробіологія. Прокаріоти (в 2-х тт.). - М .: Мир, 2005.

5. М. Сінгер, П. Берг. Гени і геноми. - М .: Світ, 1998..

6. Щелкунов інженерія. - Новосибірськ: Вид-во Сиб. Унів., 2004.

7. Степанов біологія. Структура і функції білків. - М .: В. Ш., 1996..

Комікс на конкурс «біо / мовляв / текст»: Сьогодні молекулярний біолог пробірочку проведе вас по світу дивовижною науки - молекулярної біології! Ми почнемо з історичного екскурсу по етапах її розвитку, опишемо головні відкриття і експерименти, починаючи з 1933 року. А також наочно розповімо про головні методи молекулярної біології, які дозволили маніпулювати генами, змінювати і виділяти їх. Поява цих методів послужило сильним поштовхом у розвитку молекулярної біології. А ще згадаємо про роль біотехнології і торкнемося одну з найпопулярніших тем в цій області - редагування генома за допомогою CRISPR / Cas-систем.

Генеральний спонсор конкурсу і партнер номінації «Сколтех» -.

Спонсор конкурсу - компанія «Діаем»: найбільший постачальник обладнання, реагентів та витратних матеріалів для біологічних досліджень і виробництв.

Спонсором призу глядацьких симпатій виступила компанія.

«Книжковий» спонсор конкурсу - «Альпіна нон-фікшн»

1. Введення. Сутність молекулярної біології

Вивчає основи життєдіяльності організмів на рівні макромолекул. Метою молекулярної біології є встановлення ролі і механізмів функціонування цих макромолекул на основі знань про їх структурах і властивостях.

Історично молекулярна біологія сформувалася в ході розвитку напрямків біохімії, хто вивчає нуклеїнові кислоти і білки. У той час як біохімія досліджує обмін речовин, хімічний склад живих клітин, організмів і здійснювані в них хімічні процеси, молекулярна біологія головна увага зосереджує на вивченні механізмів передачі, відтворення і зберігання генетичної інформації.

А об'єктом вивчення молекулярної біології є самі нуклеїнові кислоти - дезоксирибонуклеїнової (ДНК), РНК (РНК) - і білки, а також їх макромолекулярні комплекси - хромосоми, рибосоми, Мультиферментний системи, що забезпечують біосинтез білків і нуклеїнових кислот. Молекулярна біологія також межує з об'єктів дослідження і частково збігається з молекулярної генетикою, вірусологією, біохімією і рядом інших суміжних біологічних наук.

2. Історичний екскурс по етапах розвитку молекулярної біології

Як окремий напрямок біохімії, молекулярної біології почала розвиватися в 30-х роках минулого століття. Ще тоді виникла необхідність розуміння феномену життя на молекулярному рівні для досліджень процесів передачі та зберігання генетичної інформації. Якраз в той час встановилася завдання молекулярної біології у вивченні властивостей, структури і взаємодії білків і нуклеїнових кислот.

Вперше термін «молекулярна біологія» застосував в 1933 році Вільям Астбері в ході дослідження фібрилярних білків (колагену, фібрину крові, скорочувальних білків м'язів). Астбері вивчав зв'язок між молекулярною структурою і біологічними, фізичними особливостями даних білків. На перших порах виникнення молекулярної біології РНК вважалася складовою тільки рослин і грибів, а ДНК - тільки тварин. А в 1935 році відкриття ДНК гороху Андрієм Білозерським призвело до встановлення факту, що ДНК міститься в кожній живій клітині.

В 1940 році колосальним досягненням стало встановлення Джорджем Бідлом і Едуардом Тейтемом причинно-наслідкового зв'язку між генами і білками. Гіпотеза вчених «Один ген - один фермент» лягла в основу концепції про те, що специфічне будова білка регулюється генами. Вважається, що генетична інформація закодована спеціальною послідовністю нуклеотидів в ДНК, яка регулює первинну структуру білків. Пізніше було доведено, що багато білків мають четвертинних структуру. В освіті таких структур беруть участь різні пептидні ланцюга. Виходячи з цього, положення про зв'язок між геном і ферментом було кілька перетворено, і тепер звучить як «Один ген - один поліпептид».

В 1944 році американський біолог Освальд Евері з колегами (Коліном Маклеодом і Маклін Маккарті) довів, що речовиною, що викликає трансформацію бактерій, є ДНК, а не білки. Експеримент послужив доказом ролі ДНК у передачі спадкової інформації, перекресливши застарілі знання про білкової природи генів.

На початку 50-х років Фредерік Сенгер показав, що білкова ланцюг - унікальна послідовність амінокислотних залишків. В 1951 і 1952 роках учений визначив повну послідовність двох поліпептидних ланцюгів - бичачого інсуліну В (30 амінокислотних залишків) і А (21 амінокислотний залишок) відповідно.

Приблизно в той же час, в 1951–1953 рр., Ервін Чаргафф сформулював правила про співвідношення азотистих основ в ДНК. Згідно з правилом, незалежно від видових відмінностей живих організмів в їх ДНК кількість аденіну (A) дорівнює кількості тиміну (T), а кількість гуаніну (G) дорівнює кількості цитозину (C).

В 1953 році доведена генетична роль ДНК. Джеймс Уотсон і Френсіс Крік на основі рентгенограми ДНК, отриманої Розалінд Франклін і Морісом Вілкінсом, встановили просторову структуру ДНК і висунули подтвердившееся пізніше припущення про механізм її реплікації (подвоєння), що лежить в основі спадковості.

1958 рік - формування центральної догми молекулярної біології Френсісом Криком: перенесення генетичної інформації йде в напрямку ДНК → РНК → білок.

Суть догми полягає в тому, що в клітинах є певний спрямований потік інформації від ДНК, яка, в свою чергу, являє собою вихідний генетичний текст, що складається з чотирьох букв: A, T, G і C. Він записаний в подвійної спіралі ДНК у вигляді послідовностей цих букв - нуклеотидів.

Цей текст транскрибується. А сам процес називається транскрипцією. В ході даного процесу відбувається синтез РНК, яка є ідентичною генетичною тексту, але з відмінністю: в РНК замість T коштує U (урацил).

Дана РНК називається інформаційної РНК (іРНК), Або матричної (мРНК). трансляція іРНК здійснюється за допомогою генетичного коду у вигляді триплетних послідовностей нуклеотидів. В ході цього процесу відбувається переклад тексту нуклеїнових кислот ДНК і РНК з чотирибуквене тексту в двадцатібуквенний текст амінокислот.

Природних амінокислот існує всього двадцять, а букв в тексті нуклеїнових кислот чотири. Через це відбувається переклад з чотирибуквене алфавіту в двадцатібуквенний за допомогою генетичного коду, в якому кожним трьом нуклеотидам відповідає будь-яка амінокислота. Так можна зробити з чотирьох букв цілі 64 трьохбуквені комбінації, при тому, що амінокислот 20. З цього випливає, що генетичний код обов'язково повинен мати властивість вирожденність. Однак в той час генетичний код не був відомий, до того ж його навіть не почали розшифровувати, але Крик вже сформулював свою центральну догму.

Проте була впевненість в тому, що код повинен існувати. На той час було доведено, що цей код має тріплетном. Це означає, що конкретно три букви в нуклеїнових кислотах ( кодóни) Відповідають будь-якої амінокислоті. Цих кодонів всього 64, вони кодують 20 амінокислот. Це означає, що кожній амінокислоті відповідає відразу кілька кодонів.

Таким чином, можна зробити висновок, що центральна догма є постулатом, який свідчить про те, що в клітці відбувається спрямований потік інформації: ДНК → РНК → білок. Крик зробив акцент на головному змісті центральної догми: зворотного потоку інформації відбуватися не може, білок не здатний змінювати генетичну інформацію.

В цьому і полягає основний сенс центральної догми: білок не в змозі змінювати і перетворювати інформацію в ДНК (або РНК), потік завжди йде лише в одну сторону.

Через деякий час після цього був відкритий новий фермент, який не був відомий за часів формулювання центральної догми, - зворотна транскриптаза, Яка синтезує ДНК по РНК. Фермент був відкритий у вірусах, у яких генетична інформація закодована в РНК, а не в ДНК. Такі віруси називають ретровірусами. Вони мають вірусну капсулу з ув'язненими в неї РНК і спеціальним ферментом. Фермент і є зворотна транскриптаза, яка синтезує ДНК по матриці цієї вірусної РНК, а ця ДНК потім вже служить генетичним матеріалом для подальшого розвитку вірусу в клітці.

Звичайно, дане відкриття викликало великий шок і безліч суперечок серед молекулярних біологів, оскільки вважалося, що, виходячи з центральної догми, цього бути не може. Однак Крик відразу пояснив, що він ніколи не говорив, що це неможливо. Він говорив лише те, що ніколи не може відбуватися потік інформації від білка до нуклеїнових кислот, а вже всередині нуклеїнових кислот будь-якого роду процеси цілком можливі: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК і РНК на РНК.

Після формулювання центральної догми як і раніше залишався ряд питань: як алфавіт з чотирьох нуклеотидів, складових ДНК (або РНК), кодує 20-буквений алфавіт амінокислот, з яких складаються білки? У чому полягає сутність генетичного коду?

Перші ідеї про існування генетичного коду сформулювали Олександр Даунс ( 1952 м) і Георгій Гамов ( 1954 м). Вчені показали, що послідовність нуклеотидів повинна включати в себе не менше трьох ланок. Пізніше було доведено, що така послідовність складається з трьох нуклеотидів, названих кодоном (кодоном). Проте питання про те, які нуклеотиди відповідальні за включення якої амінокислоти в білкову молекулу, залишався відкритим до 1961 року.

А в 1961 році Маршалл Ніренберг разом з Генріх Маттеї використовували систему для трансляції in vitro. У ролі матриці взяли олигонуклеотид. До його складу входили лише залишки урацилу, а пептид, синтезований з нього, включав тільки амінокислоту фенілаланін. Таким чином вперше було встановлено значення кодону: кодон UUU кодує фенілаланін. Поле них Хар Корана з'ясував, що послідовність нуклеотидів UCUCUCUCUCUC кодує набір амінокислот серин-лейцин-серин-лейцин. За великим рахунком, завдяки роботам Ниренберга і Корани, до 1965 році генетичний код був повністю розгаданий. З'ясувалося, що кожен триплет кодує певну амінокислоту. А порядок кодонів визначає порядок амінокислот у білку.

Головні принципи функціонування білків і нуклеїнових кислот сформулювали до початку 70-х років. Було зафіксовано, що синтез білків і нуклеїнових кислот здійснюється за матричним механізму. Молекула-матриця несе закодовану інформацію про послідовність амінокислот або нуклеотидів. При реплікації або транскрипції матрицею служить ДНК, при трансляції та зворотної транскрипції - іРНК.

Так були створені передумови для формування напрямків молекулярної біології, в тому числі і генної інженерії. А в 1972 році Пол Берг з колегами розробив технологію молекулярного клонування. Вчені отримали першу рекомбинантную ДНК in vitro. Ці видатні відкриття лягли в основу нового напряму молекулярної біології, а 1972 рік з тих пір вважається датою народження генної інженерії.

3. Методи молекулярної біології

Колосальні успіхи у вивченні нуклеїнових кислот, будову ДНК і біосинтезу білка привели до створення ряду методів, що мають велике значення в медицині, сільському господарстві та науці в цілому.

Після вивчення генетичного коду і основних принципів зберігання, передачі і реалізації спадкової інформації для подальшого розвитку молекулярної біології стали необхідні спеціальні методи. Ці методи дозволили б проводити маніпуляції з генами, змінювати і виділяти їх.

Поява таких методів відбулося в 1970-1980-х роках. Це дало величезний поштовх розвитку молекулярної біології. В першу чергу, ці методи безпосередньо пов'язані з отриманням генів і їх впровадженням в клітини інших організмів, а ще з можливістю визначення послідовності нуклеотидів в генах.

3.1. електрофорез ДНК

електрофорез ДНК є базовим методом роботи з ДНК. Електрофорез ДНК застосовується разом майже з усіма іншими методами для виділення потрібних молекул і подальшого аналізу результатів. Сам метод електрофорезу в гелі використовується для поділу фрагментів ДНК по довжині.

Попередньо або після електрофорезу гель обробляється барвниками, які здатні зв'язатися з ДНК. Барвники флуоресцируют в ультрафіолетовому світлі, виходить картина зі смуг в гелі. Для визначення довжин фрагментів ДНК їх можна порівняти з мáркерамі - наборами фрагментів стандартних довжин, які наносяться на той же гель.

флуоресцентні білки

При дослідженні еукаріотичних організмів як генів-мáркеров зручніше використовувати флуоресцентні білки. Ген першого зеленого флуоресцентного білка ( green fluorescent protein, GFP) Виділили з медузи Aqeuorea victoria, Після чого впровадили в різні організми. Після виділяли гени флуоресцентних білків інших квітів: синіх, жовтих, червоних. Щоб отримати білки з важливими властивостями, такі гени були модифіковані штучно.

Взагалі, найважливішими інструментами для роботи з молекулою ДНК є ферменти, які здійснюють ряд перетворень ДНК в клітинах: ДНК-полімерази, ДНК-лігази і рестріктази (рестрикційні ендонуклеази).

трансгенезу

трансгенезу називається перенесення генів з одного організму в інший. А такі організми називаються трансгенними.

Рекомбінантні білкові препарати як раз отримують методом перенесення генів в клітини мікроорганізмів. В основному такими білковими препаратами є інтерферони, інсулін, Деякі білкові гормони, а також білки для виробництва ряду вакцин.

В інших випадках застосовують клітинні культури еукаріот або трансгенних тварин, по більшою мірою, Худобу, який виділяє потрібні білки в молоко. Таким чином отримують антитіла, фактори згортання крові та інші білки. Метод трансгенеза використовують для отримання культурних рослин, стійких до шкідників і гербіцидів, а за допомогою трансгенних мікроорганізмів очищають стічні води.

Крім усього перерахованого, трансгенні технології незамінні в наукових дослідженнях, адже розвиток біології відбувається швидше з застосуванням методів модифікації і перенесення генів.

рестріктази

Розпізнавані рестріктазамі послідовності є симетричними, тому всякого роду розриви можуть відбуватися або в середині такій послідовності, або із зсувом в одній або обох нитках молекули ДНК.

При розщепленні будь ДНК рестриктазой, послідовності на кінцях фрагментів будуть однаковими. Вони зможуть знову з'єднуватися, оскільки мають комплементарні ділянки.

Отримати єдину молекулу можна, пошивши дані послідовності за допомогою ДНК-лігази. За рахунок цього можливо об'єднувати фрагменти двох різних ДНК і отримувати рекомбінантні ДНК.

3.2. ПЛР

В основі методу лежить здатність ДНК-полімерази добудовувати другу нитку ДНК по комплементарної нитки так само, як при процесі реплікації ДНК в клітині.

3.3. секвенування ДНК

Стрімкий розвиток методу секвенування дозволяє ефективно визначати особливості досліджуваного організму на рівні його генома. Головною перевагою таких геномних і постгеномную технологій є збільшення можливостей дослідження і вивчення генетичної природи захворювань людини, для того щоб заздалегідь вжити необхідних заходів і уникнути хвороб.

За рахунок великих досліджень можливо отримувати необхідні дані про різних генетичних характеристиках різних груп людей, тим самим розвиваючи методи медицини. Через це виявлення генетичної схильності до різних захворювань сьогодні користується величезною популярністю.

Подібні методи широко застосовуються практично в усьому світі, в тому числі і в Росії. Через наукового прогресу відбувається впровадження таких методів в медичні дослідження і медичну практику в цілому.

4. Біотехнологія

біотехнологія - дисципліна, що вивчає можливості використання живих організмів або їх систем для вирішення технологічних задач, а ще створення живих організмів з потрібними властивостями шляхом генної інженерії. Біотехнологія застосовує методи хімії, мікробіології, біохімії і, звичайно ж, молекулярної біології.

Основні напрямки розвитку біотехнології (принципи біотехнологічних процесів впроваджують у виробництво всіх галузей):

1. Створення та виробництво нових видів продуктів харчування і кормів для тварин.
2. Отримання і вивчення нових штамів мікроорганізмів.
3. Виведення нових сортів рослин, а також створення засобів для захисту рослин від хвороб і шкідників.
4. Застосування методів біотехнології для потреб екології. Такі методи біотехнології використовують для переробки утилізації відходів, очищення стічних вод, відпрацьованого повітря та санації грунтів.
5. Виготовлення вітамінів, гормонів, ферментів, сироваток для потреб медицини. Біотехнологи розробляють вдосконалені лікарські препарати, які раніше вважалися невиліковними.

Великим досягненням біотехнології є генна інженерія.

Генна інженерія - сукупність технологій і методів отримання рекомбінантних молекул РНК і ДНК, виділення окремих генів з клітин, здійснення маніпуляцій з генами і введення їх в інші організми (бактерій, дріжджі, ссавців). Такі організми здатні виробляти кінцеві продукти з потрібними, зміненими властивостями.

Методи генної інженерії спрямовані на конструювання нових, раніше не існували поєднань генів у природі.

Говорячи про досягнення генної інженерії, неможливо залишити поза увагою тему клонування. клонування - це один з методів біотехнології, застосовуваний для отримання ідентичних нащадків різних організмів за допомогою безстатевого розмноження.

Іншими словами, клонування можна уявити як процес створення генетично ідентичних копій організму або клітини. А клоновані організми схожі або зовсім ідентичні не тільки за зовнішніми ознаками, а й за генетичним змістом.

Відома овечка Доллі в 1966 році стала першою клонованою ссавцям. Вона була отримана за рахунок пересадки ядра соматичної клітини в цитоплазму яйцеклітини. Доллі була генетичною копією вівці-донора ядра клітини. У природних умовах особина формується з однієї заплідненої яйцеклітини, отримавши по половині генетичного матеріалу від двох батьків. Однак при клонуванні генетичний матеріал взяли з клітки однієї особини. Спочатку з зиготи видалили ядро, в якому знаходиться сама ДНК. Після чого витягли ядро \u200b\u200bз клітини дорослої особини вівці і імплантували його в ту позбавлену ядра зиготу, а потім її пересадили в матку дорослої особини і надали можливість для зростання і розвитку.

Проте не всі спроби клонування були вдалими. Паралельно з клонуванням Доллі експеримент по заміні ДНК був проведений на 273 інших яйцеклітинах. Але тільки в одному випадку змогло повноцінно розвинутися і вирости живе доросла тварина. Після Доллі вчені намагалися клонувати і інші види ссавців.

Одним їх видів генної інженерії є редагування генома.

Інструмент CRISPR / Cas базується на елементі імунної захисної системи бактерій, який вчені пристосували для впровадження будь-яких змін в ДНК тварин або рослин.

CRISPR / Cas є одним з біотехнологічних методів маніпулювання окремими генами в клітинах. Існує величезна безліч застосувань такої технології. CRISPR / Cas дозволяє дослідникам з'ясовувати функцію різних генів. Для цього потрібно просто вирізати досліджуваний ген з ДНК і вивчити, які функції організму були порушені.

деякі практичні застосування системи:

1. Сільське господарство. За рахунок CRISPR / Cas-систем можна вдосконалити сільськогосподарські культури. А саме, зробити їх більш смачними і поживними, а також стійкими до спеки. Можливо наділити рослини і іншими властивостями: наприклад, вирізати з горіхів (арахісу або фундука) ген алергену.
2. Медицина, спадкові захворювання. У вчених є мета застосовувати CRISPR / Cas для видалення з людського генома мутацій, через які можуть розвиватися захворювання, такі, як серповидноклітинна анемія і ін. В теорії, за рахунок CRISPR / Cas можна зупиняти розвиток ВІЛ.
3. Генний драйв. CRISPR / Cas може змінювати не тільки геном окремої тварини або рослини, але також і генофонд виду. Дана концепція відома як «Генний драйв». Кожен живий організм передає своєму потомству половину генів. Але використання CRISPR / Cas може підвищувати ймовірність передачі генів до 100%. Це важливо для того, щоб необхідний ознака швидше поширився у всій популяції.

Швейцарські вчені значно вдосконалили і модернізували метод редагування генома CRISPR / Cas, тим самим розширивши його можливості. Проте вчені могли модифікувати тільки один ген за раз, використовуючи CRISPR / Cas-систему. Але зараз дослідники Швейцарської вищої технічної школи Цюріха розробили метод, за допомогою якого можливо одночасно модифікувати 25 генів в клітці.

для новітньої методики фахівці використовували фермент Cas12a. Генетики вперше в історії успішно клонували мавп. «Популярна механіка»;

Молекулярний біолог - це дослідник в галузі медицини, місія якого полягає, ні багато ні мало, в порятунок людства від небезпечних хвороб. Серед таких захворювань, наприклад, онкологія, на сьогоднішній день стала однією з головних причин смертності в світі, лише трохи поступаючись лідеру - серцево-судинним захворюванням. Нові методи ранньої діагностики онкології, запобігання і лікування раку - пріоритетне завдання сучасної медицини. Молекулярні біологи в області онкології розробляють антитіла і рекомбінантні (генетично спроектовані) білки для ранньої діагностики або цільової доставки ліків в організмі. Фахівці цієї сфери використовують самі сучасні досягнення науки і техніки для створення нових організмів і органічних речовин з метою їх подальшого використання в дослідницькій і клінічної діяльності. Серед методів, які використовують молекулярні біологи, - клонування, трансфекція, інфекція, полімеразна ланцюгова реакція, секвенування генів і інші. Одна з компаній, зацікавлених в молекулярних біологів в Росії, - ТОВ «ПраймБіоМед». Організація займається виробництвом антитіл-реагентів для діагностики онкологічних захворювань. Такі антитіла в основному використовуються для визначення типу пухлини, її походження і злоякісності, тобто здатності до метастазування (розповсюдження в інші частини організму). Антитіла наносяться на тонкі зрізи досліджуваної тканини, після чого зв'язуються в клітинах з певними білками - маркерами, які присутні в пухлинних клітинах, але відсутні в здорових і навпаки. Залежно від результатів дослідження призначається подальше лікування. Серед клієнтів «ПраймБіоМед» - не тільки медичні, а й наукові установи, Тому що антитіла можуть використовуватися і для вирішення дослідницьких завдань. У таких випадках можуть бути проведені унікальні антитіла, здатні зв'язуватися з досліджуваним білком, під конкретне завдання по спеціальному замовленню. Ще один перспективний напрям досліджень компанії - таргетная (цільова) доставка ліків в організмі. В даному випадку антитіла використовуються як транспорт: з їх допомогою ліків доставляються безпосередньо до уражених органів. Таким чином, лікування стає більш ефективним і має менше негативних наслідків для організму, ніж, наприклад, хіміотерапія, яка вражає не тільки ракові, але і інші клітини. Професія молекулярного біолога в найближчі десятиліття, як очікується, буде все більш затребуваною: зі збільшенням середньої тривалості життя людини кількість онкологічних захворювань буде збільшуватися. Рання діагностика пухлин і інноваційні способи лікування за допомогою отриманих молекулярними біологами речовин дозволять врятувати життя і поліпшити її якість величезній кількості людей.

інтерв'ю

Пирогов Сергій - учасник підготовки до олімпіади з біології, організованої "Слон і Жираф" в 2012 р
Переможець міжнародної універсіади з біології
Переможець олімпіади «Ломоносов»
Призер регіонального етапу Всеросійської олімпіади з біології в 2012 р
Навчається в МДУ ім. М.В. Ломоносова на біологічному факультеті: кафедрі молекулярної біології, на 6 курсі. Працює в лабораторії біохімічної генетики тварин Інституту молекулярної генетики.

- Сергію, якщо у читачів з'являться питання, вони зможуть їх тобі задати?

Так, звичайно, поставити запитання можна хоч відразу. У цьому полі:

Натисніть, щоб задати питання.

- Давай почнемо зі школи, у тебе начебто була суперкрута школа?

Я вчився в дуже слабкою московській школі школі, такий середньостатистичної ЗОШ. Правда у нас була чудова вчителька з МХК, завдяки якій у нас з'явилася багато в чому номінальна "мистецтвознавча" спрямованість школи.

- А що з біологією?

Біологію у нас вела дуже літня, глуха і різка жінка, яку всі боялися. Але любові до її предмету не додавало. Я ж з дитинства був захоплений біологією, років з п'яти. Читав усе сам, в основному захоплюючись анатомією і зоологією. Так що шкільні предмети існували паралельно моїм власним інтересам. Все поміняли олімпіади.

- Розкажи про це докладніше.

В 7 класі я вперше взяв участь в муніципальному етапі (Звичайно, відразу майже з усіх предметів, так як був єдиним учнем, якого вчителі мали підстави відправити). І став переможцем по біології. Тоді школа поставилася до цього як до цікавого, але не дуже цікавому факту.

- Чи допомогло це тобі в школі?

Пам'ятаю, що незважаючи на блискучу навчання, нерідко отримував від викладача з біології четвірки з причіпками начебто "на малюнку розрізу цибулини корінці повинні бути розфарбовані коричневим, а не сірим". Все це було досить невтішним. У 8 класі я знову пішов на олімпіади, але з біології мене чомусь не відправили. Зате став переможцем і призером з інших предметів.

- А що було в 9 класі?

У 9 класі не пішов на окружній етап. Там-то я несподівано набрав слабенький, прикордонний бал, який виявився все ж прохідним на регіональний етап. Це мало потужну мотивуючу силу - усвідомлення того, як багато чого виявляється я не знаю і як багато людей, все це знають (скільки таких людей в масштабі країни я навіть боявся уявити).

- Розкажи, як ти готувався.

Інтенсивні самостійні заняття, набіги на книжкові магазини і тисячі торішніх завдань здобули цілющий ефект. Я набрав один з найбільших балів за теорію (що теж було для мене абсолютно несподіваним), пройшов на практичний етап ... і провалив його. У той час я ще взагалі не знав про існування практичного етапу.

- Чи вплинула на тебе олімпіада?

Моє життя радикально змінилася. Я дізнався про багато інших олімпіади, особливо полюбив ШБО. Згодом на багатьох показував хороші результати, деякі вигравав, завдяки "Ломоносовський" отримав право на вступ без іспитів. Паралельно я вигравав олімпіади з історії мистецтва, до якого нерівно дихаю і понині. Правда з практичними турами так і не дружив. У 11 класі я все-таки дійшов до заключного етапу, але Фортуна була прихильною і в цей раз я не встиг заповнити матрицю відповідей теоретичного етапу. Зате це дозволило вже не сильно турбуватися за практичний.

- Ти з багатьма олімпіадниками познайомився?

Так, до цих пір вважаю, що мені дуже пощастило з колом моїх однолітків, неабияк розширили мій кругозір. Іншою стороною олімпіад, крім мотивації більш гармонійно вивчати предмет, було знайомство з олімпіадниками. Уже в той час я помітив, що горизонтальне спілкування часом корисніше вертикального - з викладачами на зборах.

- Як ти надходив до ВНЗ? Вибирав факультет?

Після 11 класу я поступив на біофак МГУ. Якраз більшість моїх тодішніх товаришів зробили вибір на користь ФББ, але тут першочергову роль зіграло те, що я не став призером Всеросс. Значить мені треба було б здавати внутрішній іспит з математики, а в ній, особливо шкільної - вищу я полюбив значно більше - я був не сильний. І в школі була дуже слабка підготовка (нас навіть не готували до майже всієї З частини). У плані інтересів вже тоді я здогадувався, що, в кінцевому рахунку, можна прийти до будь-якого результату, незалежно від місця надходження. Згодом з'ясувалося, що багато є і випускників ФББ, що переходили в переважно мокру біологію, і навпаки - багато хороших біоінформатики починали любителями. Хоча в той момент мені і здавалося, що на біофаку контингент буде не в приклад слабкіше ФББшному. В цьому я, безумовно, помилявся.

А Ви знали?

цікаво

А Ви знали?

цікаво

У таборі Слон і Жираф є зміни по біохімії і молекулярної біології, де школярі разом з досвідченими викладачі з МГУ ставлять експерименти, а також готуються до олімпіад.

© Інтерв'ю брав Решетов Денис. Фотографії люб'язно надав Пирогов Сергій.