План лекции
1. История термина
2. Основные этапы развития молекулярной биологии
3. Основные достижения последних лет
История развития молекулярной биологии
История термина
Впервые употребил термин «молекулярная биология» Уоррен Уивер в 1938 г. «…в тех пограничных областях, физика и химия пересекаются с биологией, постепенно возникает новый раздел науки – молекулярная биология…»
А Эрвин Чаргафф назвал молекулярную биологию «нелегальной биохимией»
Закрепился термин «молекулярная биология» благодаря нобелевскому лауреату Фрэнсису Крику, которому «надоело в ответ на вопрос о его профессии объявлять себя смесью кристаллографа, биохимика, биофизика и генетика».
После атомной бомбежки Хиросимы и Нагасаки в 1945 г. началось бегство ученых из физики, а в 1947 г. нобелевский лауреат физик Эрвин Шредингер написал книгу «Что такое жизнь с точки зрения физика?», которая привлекла в биологию многих физиков и математиков.
История молекулярной биологии начинается в 1930х годах с объединения ранее отдельных биологических дисциплин. Кроме того, в надежде, что новая дисциплина откроет возможности понимания фундаментальных основ жизни, в нее пришли многие химики и физики.
Оценивая молекулярную революция в контексте истории биологии, нетрудно заметить, что рождение молекулярной биологии было кульминацией длительного процесса, который начался с первых наблюдений, сделанных под микроскопом. Ранние исследователи пытались понять, как функционируют живые организмы на микроскопическом уровне. С конца XVIII в. все большее внимание уделялось описанию особенностей химических молекул, производящихся живыми организмами. Так в трудах многих выдающихся химиков родилась физиологическая химия, предшественница современной, в свою очередь, обязанной своим рождением. Однако между молекулами, которые изучали химики, и тонкими структурами, заметными под микроскопом, например, хромосомами, лежала область неизвестного, «мир упущенных измерений», как его называл выдающийся физико-химик Вольфганг Освальд. Этот мир населяли химические соединения, структура и свойства которых оставались неясными.
В 1868 году швейцарским химиком Фридрихом Мишером при изучении некоторых биологических субстанций было открыто неизвестное ранее вещество. Вещество содержало фосфор и не разлагалось под действием протеолитических ферментов. Также оно обладало выраженными кислотными свойствами. Вещество было названо «нуклеином». Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию. Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации.
Соединению была приписана брутто-формула C29H49N9O22P3. Позже он очистил образец и в 1889 г. его ученик, назвал его нуклеиновой кислотой. В 1919 г. в Рокфеллеровском институте был проведен химический анализ нуклеиновой кислоты, в составе которой были идентифицированы четыре азотистых основания, сахар и фосфат, соединенные между собой ковалентными связями в порядке фосфат-сахар-основание. Каждая из этих единиц получила название. Однако поначалу предполагалось, что четыре нуклеотида соединены между собой в короткие цепи одинаковой структуры. Лишь в 1934 г. Эйнар Хаммерстен показал, что ДНК - это полимер.
Началом и основой становления молекулярной биологии как науки стали опыты по доказательству генетической роли нуклеиновых кислот
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот
1. 1928 г. Опыты Фредерика Гриффита.
Гриффит работал с пневмококками - бактериями, вызывающими пневмонию. Он брал два штамма пневмококков: капсульный и бескапсульный. Капсульный - патогенный (вирулентный), при инфицировании таким штаммом мыши погибают, бескапсульный - непатогенный. При введении мышам смеси убитых нагреванием (и, следовательно, потерявших вирулентность) капсульных пневмококков и живых бескапсульных невирулентных бактерий, животные погибали в результате размножения капсульных вирулентных форм. Обнаруженное явление Гриффит интерпретировал как трансформацию.
Определение:
Трансформация - это приобретение одним организмом некоторых признаков другого организма за счет захвата части его генетической информации.
В 1944 г. этот эксперимент был повторен Освальдом Эйвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти в варианте смешивания бескапсульных пневмококков с взятыми от капсульных белками, полисахаридами или ДНК. В результате этого эксперимента была выявлена природа трансформирующего фактора.
Трансформирующими фактором оказалась ДНК.
2. 1952 г. Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз. Фаги (бактериофаги) - это вирусы, размножающиеся в бактериях. Е. coli - кишечная палочка (эубактерия).
Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали.
В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35. Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК.
Отсюда следовал однозначный вывод о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, тик и о синтезе фаговых белков.
3. 1957 г. Опыты Френкеля - Конрата.
Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. Было известно, что разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком.
Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации.
2. Основные этапы развития молекулярной биологии
1. Первый романтический период 1935-1944 гг.
Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками.
На заре возникновения молекулярной биологии РНК считалась компонентом растений и грибов, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток. Первым исследователем, доказавшим, что ДНК содержится в растениях, был Андрей Николаевич Белозерский, выделивший в 1935 году ДНК гороха. Это открытие установило тот факт, что ДНК является универсальной нуклеиновой кислотой, присутствующей в клетках растений и животных.
Серьёзным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Татумом прямой причинно-следственной связи между генами и белками. В своих экспериментах они подвергали клетки нейроспоры (Neurospora crassa) рентгеновскому облучению, вызывавшему мутации. Полученные результаты показали, что это приводило к изменению свойств специфических ферментов.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген — один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.
В 1940 году Альбер Клод выделил из цитоплазмы животных клеток цитоплазматические РНК-содержащие гранулы, которые были меньше митохондрий. Он назвал их микросомами. Впоследствии при исследовании структуры и свойств выделенных частиц была установлена их основополагающая роль в процессе биосинтеза белка. В 1958 году на первом симпозиуме, посвящённом этим частицам, было принято решение называть эти частицы рибосомами.
2. Второй романтический период 1944-1953гг.
1944 г. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти доказали роль ДНК в хранении генетической информации.
В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.
Френсис Крик родился в Нортхемптоне (Великобритания). В 1937 году окончил Университетский колледж в Лондоне. С 1937 преподавал в Кембриджском университете. С 1939 по 1947 год работал в США. С 1977 года – в Биологическом институте в Сан-Диего (США). Вместе с Джеймсом Уотсоном разработал знаменитую модель ДНК – двойную спираль. В опытах на фагах установил основные принципы генетического кода. Член Лондонского королевского общества (с 1959 года), Национальной Академии наук США, Германской академии наук, почетный член Американской академии искусств и наук (с 1962 года).
Джеймс Дьюи Уотсон (род.1928), США
Джеймс Уотсон родился в Чикаго. Окончил Чикагский университет в 1947 году как зоолог. Работал в Индианском университете. Вирусолог С. Лурия посоветовал ему заняться ДНК. Уотсон поехал в Данию, и немного поработал в Копенгагенском университете, откуда перебрался в Кембриджский. Там Уотсон вместе с Френсисом Криком предложил знаменитую модель ДНК – двойную спираль.
Работал также в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. С 1956 года преподавал биологию в Гарвардском университете. С 1962 года консультант президента США по науке, с 1968 года – директор лаборатории в Колд-Спрингс-Харборе (штат Нью-Йорк). Изучал структуру вирусов и их роль в онкогенезе, исследовал бактериальные рибосомы и роль РНК в синтезе белка.