Istoria biologiei moleculare începe în anii 1930 cu unificarea disciplinelor biologice separate anterior: biochimie , genetică , microbiologie și virologie . În plus, în speranța că noua disciplină va deschide posibilități de înțelegere a fundamentelor fundamentale ale vieții, mulți chimiști și fizicieni au ajuns la ea.
Biologia moleculară în sensul modern explică fenomenul vieții, plecând de la proprietățile macromoleculelor. În special, două tipuri de biologi moleculari au fost în centrul atenției: 1) acizii nucleici , dintre care ADN-ul este cel mai faimos , structura genelor este fixată pe ea și 2) proteinele , a căror activitate asigură viața la nivelul molecular. Conform uneia dintre definițiile biologiei moleculare, această disciplină caracterizează structura, funcțiile și relațiile dintre aceste două tipuri de macromolecule.
Numele noii discipline a fost propus de Warren Weaver, directorul Diviziei de Științe Naturale a Fundației Rockefeller , în 1938. La început s-a înțeles că era de așteptat să explice fundamentele fizice și chimice ale vieții. După ce legile lui Mendel au fost acceptate pe scară largă în cercurile științifice în anii 1910, iar în anii 1920 dezvoltarea teoriei atomice a condus la dezvoltarea principiilor mecanicii cuantice , știința părea că s-a apropiat de a descoperi fundamentul molecular al fenomenului vieții. Weaver, în numele Fundației Rockefeller, a susținut și a finanțat cercetarea la intersecția dintre biologie, chimie și fizică și chiar și celebrități precum Niels Bohr și Erwin Schrödinger au încercat să aducă o bază teoretică biologiei așa cum au făcut-o în fizica teoretică. Cu toate acestea, în anii 1930 și 1940, nu era clar ce fel de cercetare ar duce la obiectiv, dacă acest obiectiv era deloc realizabil. Aceasta a inclus cercetări în chimia coloidului , biofizică , radiobiologie și cristalografie .
În 1940, George Beadle și Edward Tatham au arătat existența unei legături între gene și proteine [1] , legând genetica cu biochimia. Ei au sugerat ca geneticienii in loc de Drosophila sa foloseasca neurosporul ciuperca ca organism model . Utilizarea unei game mai largi de organisme model a fost extrem de importantă pentru apariția unei noi discipline. În 1944, Oswald Avery , care lucra la Universitatea Rockefeller cu bacterii, a arătat că genele sunt formate din ADN [2] (vezi Experimentul lui Avery, McLeod și McCarthy ). În 1952, Alfred Hershey și Martha Chase au confirmat că materialul genetic al unui bacteriofag constă și din ADN [3] (vezi experimentul Hershey-Chase ). În 1953, James Watson și Francis Crick au propus o structură dublu catenară a moleculei de ADN [4] . Modelul lor structural a făcut cu adevărat posibilă explicarea multor fenomene biologice fundamentale, cum ar fi existența unor molecule biologice foarte mari, metoda de stocare și copiere exactă a informațiilor despre structura lor, posibilitatea de a schimba structura genelor în evoluție etc., în urma căreia biologia moleculară şi-a dobândit principiile de bază.
În 1961, François Jacob și Jacques Monod au sugerat că trebuie să existe un intermediar între ADN și proteină, pe care l-au numit ARN mesager . În 1961-1965. Odată cu descifrarea codului genetic , a devenit clar cum informațiile stocate pe ADN determină structura proteinei și ce combinații de nucleotide din structura ADN-ului corespund anumitor aminoacizi ai proteinei. La începutul anilor 1960, Jacob și Monod au arătat și modul în care proteina poate regla transcripția și expresia genelor [5] .
Descoperiri majore în biologia moleculară au fost făcute pe parcursul a aproximativ un sfert de secol. Apoi, au fost nevoie de încă cincisprezece ani de cercetare înainte ca aceștia să dezvolte noi tehnologii complexe, care acum sunt numite în mod colectiv inginerie genetică . Ei au făcut posibilă izolarea și caracterizarea genelor individuale, inclusiv a celor din organisme vii foarte complexe, inclusiv oameni.
La evaluarea revoluției moleculare în contextul istoriei biologiei, este ușor de observat că nașterea biologiei moleculare a fost punctul culminant al unui proces îndelungat care a început odată cu primele observații făcute la microscop. Primii cercetători au încercat să înțeleagă cum funcționează organismele vii la nivel microscopic. De la sfârşitul secolului al XVIII-lea. S-a acordat o atenție tot mai mare descrierii caracteristicilor moleculelor chimice produse de organismele vii. Astfel, în lucrările unor chimiști de seamă precum Justus Liebig s-a născut chimia fiziologică, precursorul biochimiei moderne , care la rândul ei își datorează nașterea lui Eduard Buchner . Cu toate acestea, între moleculele studiate de chimiști și structurile fine vizibile la microscop, cum ar fi cromozomii, se afla tărâmul necunoscutului, „lumea dimensiunilor lipsă”, așa cum a numit-o eminentul chimist fizic Wolfgang Oswald. Această lume a fost locuită de coloizi , compuși chimici a căror structură și proprietăți au rămas neclare.
Succesul biologilor moleculari în explorarea acestei lumi necunoscute a asigurat apariția unor noi metode de fizică și chimie, cum ar fi analiza de difracție cu raze X , microscopia electronică , ultracentrifugarea , electroforeza .
Punctul de cotitură în acest proces a fost lucrarea lui Linus Pauling în 1949, în care, pentru prima dată, o boală umană, anemia falciformă , a fost asociată cu o mutație a moleculei de hemoglobină .
La nașterea biologiei moleculare a avut loc o întâlnire a două discipline care au cunoscut o perioadă de dezvoltare rapidă în prima jumătate a secolului XX: biochimia și genetica. Biochimiștii au studiat structura și funcțiile moleculelor care alcătuiesc materia vie. Între 1900 și 1940 au fost descrise procesele metabolice centrale : digestia și absorbția nutrienților, în special carbohidrații. Fiecare dintre procesele chimice elementare care alcătuiesc metabolismul este catalizat de o enzimă specifică . Enzimele sunt proteine, la fel ca anticorpii din sânge și proteinele responsabile de contracțiile musculare. Prin urmare, studiul structurii și funcției proteinelor a devenit una dintre cele mai importante sarcini ale biochimiei. Geneticienii, datorită introducerii muștei de fructe Drosophila ca organism model de către Thomas Morgan , au stabilit validitatea legilor lui Mendel și au descoperit multe fapte și modele noi în relația dintre gene. În special, Morgan a arătat că genele sunt localizate pe cromozomi. Cu toate acestea, natura chimică a genelor și mecanismele moleculare ale acțiunii lor au rămas un mister.
În 1869, Johann Friedrich Miescher a descoperit o substanță pe care a numit-o nucleină. Mai târziu a purificat o probă de material seminal de somon și în 1889 studentul său, Richard Altmann , a numit-o acid nucleic. În 1919, la Institutul Rockefeller, a fost efectuată o analiză chimică a acidului nucleic, în care au fost identificate patru baze azotate, zahăr și fosfat, interconectate prin legături covalente în ordinea fosfat-zahăr-bază. Fiecare dintre aceste unități se numește nucleotidă . Cu toate acestea, la început s-a presupus că patru nucleotide erau interconectate în lanțuri scurte cu aceeași structură. Abia în 1934 Thorbjorn Kaspersson și Einar Hammersten au arătat că ADN-ul este un polimer.
În 1927, N.K. Koltsov a sugerat că trăsăturile moștenite ar trebui transmise din generație în generație împreună cu molecule gigantice, care constau din două lanțuri de oglindă replicate într-un mod semi-conservator, iar fiecare dintre lanțuri în timpul replicării servește ca o matrice pentru sinteza unul nou [6] . În 1935, Max Delbrück , N.V. Timofeev-Resovsky și Karl Zimmer au sugerat că cromozomii sunt molecule gigantice a căror structură poate fi schimbată prin iradierea cu raze X , ceea ce duce la o schimbare a trăsăturilor moștenite. În 1937, William Astbury a primit primele rezultate ale analizei de difracție cu raze X a ADN-ului, dar nu a reușit să tragă concluzii despre structura acestuia. Era clar doar că această structură este obișnuită.
Un experiment critic care demonstrează că genele constau din ADN a fost efectuat în 1943 de Oswald Avery și coautorii săi, care au continuat munca lui Frederick Griffith , care a murit tragic la începutul celui de-al Doilea Război Mondial , cu tulpini de pneumococ. Experimentele lui Griffith au implicat transformarea bacteriilor de tip rugos non-virulente (R) într-o tulpină netedă virulentă (S). Avery a evidențiat „principiul transformator” și l-a identificat drept ADN. Un experiment similar a fost înființat în 1953 de Alfred Hershey și Martha Chase, care lucrau cu bacteriofagul T2. În munca lor, ei au arătat, de asemenea, că materialul genetic al fagului este ADN.
În anii 1950, trei grupuri de oameni de știință au obținut succes în cercetarea structurii macromoleculelor biologice. Primul a lucrat la King's College (Londra) , a inclus Maurice Wilkins și Rosalind Franklin . Al doilea a fost format din Francis Crick și James Watson de la Cambridge . Al treilea grup, condus de Linus Pauling , a lucrat la Institutul de Tehnologie din California (SUA) . Watson și Crick au construit modele ale structurii din bile conectate prin tije metalice, pe baza datelor despre structura nucleotidelor individuale și distanțele dintre atomi. Franklin și Wilkins au analizat datele din cristalografie și difracția cu raze X.
Grupul lui Pauling din 1948, pe baza acelorași cercetări, a descoperit că în structura spațială a multor proteine există părți mai mult sau mai puțin mari sub formă de spirală . Concluzii similare ar putea fi trase din datele lui Franklin și Wilkins despre ADN. Concluziile finale despre structura elicoidală a ADN-ului, prezența a două lanțuri în acesta, interconectate prin legături de hidrogen între nucleotide individuale față în față, și complementaritatea lor au fost făcute de Watson și Crick. Ei au fost ajutați de Erwin Chargaff , care a vizitat Cambridge în 1952 și și-a amintit experimentele sale din 1947, când a descoperit că raportul de nucleotide variază în diferite probe de ADN, dar adenina este întotdeauna prezentă în aceeași proporție cu timina, iar guanina - în la fel ca și citozina.
Watson și Crick au construit primul model exact al ADN-ului în 1953, pe baza datelor obținute până atunci de Franklin [7] . Descoperirea lor a stârnit un entuziasm extraordinar atât în rândul oamenilor de știință, cât și al publicului larg. Lucrarea lui Watson și Crick a fost publicată în Nature pe 25 aprilie. Conținutul său a fost duplicat de un raport public al șefei laboratorului unde lucrau Watson și Crick, William Bragg , pe 14 mai. Deja pe 15 mai, un articol despre el a fost plasat în ziarul londonez News Chronicle, iar pe 16 mai - în The New York Times . În 1962, Watson, Crick și Wilkins au primit Premiul Nobel pentru această descoperire . Rosalind Franklin murise deja de cancer în 1958 până atunci.
În 1957, Crick a propus o formulă care a ajuns să fie cunoscută drept „ dogma centrală a biologiei moleculare ”. Conform acestei formule, ADN-ul este depozitul de informații despre structura unei proteine. Mediatorul dintre ele este ARN. Presupusul mecanism de replicare semi-conservativă a ADN-ului a fost confirmat până acum de experimentul lui Meselson și Stahl . Crick și co-autorii săi au arătat că codul genetic constă din tripleți de nucleotide numiți codoni, fiecare dintre acestea codând pentru un reziduu de aminoacizi al unei proteine. Până în 1966, Har Qur'an și colab. au descifrat codul genetic prin stabilirea unor relații între codonii ADN și resturile de proteine de aminoacizi.
Lucrările timpurii asupra structurii ARN-ului datează, de asemenea, din anii 1950. Watson și Crick au sugerat că prezența grupului 2`OH în riboză împiedică formarea unei duble helix, care este caracteristică doar pentru ADN [8] . Au existat îndoieli chiar și cu privire la capacitatea acestei macromolecule de a forma orice structură elicoidală. Gradul ridicat de eterogenitate al probelor purificate a împiedicat dobândirea de modele distincte de difracție pe ARN și analiza lor de difracție cu raze X. În 1955 a fost descoperită enzima polinucleotidă fosforilază [9] , cu ajutorul căreia a devenit posibilă sinteza artificială a acizilor nucleici omogene, iar datele analizei de difracție cu raze X s-au îmbunătățit semnificativ. S-a dovedit că ARN-ul nu numai că poate forma un helix, dar, la fel ca ADN-ul, este capabil să creeze o dublă helix, deși structura sa diferă de dubla helix a ADN-ului.
La sfârșitul anilor 1950 și începutul anilor 1960, au fost publicate multe rezultate ale studiilor ARN, inclusiv hibridizarea ARN-ului și ADN-ului cu formarea de duble helix din lanțurile ambelor macromolecule [10] și chiar a unei triple helix ARN [11] , de asemenea ca structura fragmentelor mici de ARN și dinucleotide GC și AU, cristalizate sub formă de bucle elicoidale [12] . O recenzie modernă a acestor lucrări a fost publicată în 2009 [13]
Până la mijlocul anilor 1960, au fost descoperiți ribozomii , arătând rolul lor în sinteza proteinelor și nevoia de ARN mesager pentru asamblarea lor. Pe lângă ARN mesager și ARN, care fac parte din structura ribozomilor, ARN-ul de transport au participat și la sinteza proteinelor , furnizând aminoacizi în ribozom [14] . În 1965, a fost determinată structura primară a primului ARN de transfer [15] , iar până în 1968, mai multe grupuri de oameni de știință obțineau cristale de ARN de transfer deodată, deși nu de o calitate suficient de bună pentru a face posibilă determinarea structurii lor spațiale [16] ] . Acest obiectiv a devenit realizabil datorită cristalizării în 1971 a ARNt PHE din drojdie [17] . Lucrările privind studiul structurii spațiale a ARNt PHE au fost finalizate până în 1973 [18] Ulterior, metodele acestei lucrări de pionierat au fost aplicate la cristalizarea și studiul structurii spațiale a altor ARNt [19] [20] . S-a dovedit că, pe lângă o formă liniară sau elicoidală, cel puțin astfel de ARN ca ARN-ul de transport, precum și proteinele, pot avea o structură globulară compactă.
În anii 1980, s-a demonstrat că unele ARN-uri sunt capabile de clivaj autocatalitic [21] [22] [23] . ARN-urile care, ca și enzimele, sunt capabile să catalizeze reacții chimice, cum ar fi scindarea autocatalitică, au fost numite ribozime . În anii 1990, structura spațială a unora dintre ribozime a fost studiată [24] [25] . Acestea au fost primele ARN globulare, în afară de cele de transport, în care a devenit posibilă studierea structurii spațiale. Pe această bază, au fost efectuate studii ulterioare privind caracteristicile formării structurii ARN, identificarea motivelor structurale conservatoare, interacțiunile de stabilizare locală între fragmentele secvenței de nucleotide etc. [26] . Aceste progrese au fost posibile prin apariția metodei de transcripție in vitro. În plus, rezonanța magnetică nucleară a început să fie folosită pentru a studia structura ARN , care s-a dovedit deosebit de utilă pentru studiul ARN-urilor mici (ARN) [27] [28] [29] .
Ulterior, dezvoltarea metodelor de studiere a structurii ARN a făcut posibilă studierea structurii spațiale a unui număr de macromolecule de acest tip, inclusiv ARN ribozomal [30] [31] . Ada Yonath , Venkatraman Ramakrishnan si Thomas Steitz au primit Premiul Nobel pentru munca lor asupra structurii spatiale a ARN-ului ribozomal .
Ca o clasă specială de molecule biologice, proteinele au fost identificate încă din secolul al XVIII-lea. Antoine de Fourcroix . La început au fost numite albumine ( matières albuminoides , albuminoide sau Eiweisskörper ) și proprietatea lor caracteristică era capacitatea de a coagula sau de a coagula atunci când sunt tratate cu căldură sau acid. Exemple larg cunoscute de astfel de proteine până la începutul secolului al XIX-lea. Au fost luate în considerare ovalbumina , albumina serică , fibrina şi glutenul de grâu . Asemănarea dintre coagularea albușului de ou și coagularea laptelui este cunoscută din cele mai vechi timpuri. Chiar și cuvântul albumină în sine a fost propus de Pliniu cel Bătrân și provine din expresia latină albus ovi (albuș de ou).
Jacob Berzelius și Gerrit Jan Mulder au efectuat analize elementare ale proteinelor vegetale și animale și au încercat să determine formula lor empirică . Spre surprinderea lor, formula pentru toate proteinele s-a dovedit a fi aproximativ aceeași: C 400 H 620 N 100 O 120 , doar conținutul de sulf și fosfor, care erau prezente în proporții relativ mici, au fost diferite. Mulder a sugerat că există o singură substanță proteică de bază ( Grundstoff ) care este sintetizată în plante și digerată de animale. Berzelius a susținut această idee, numind substanța o proteină.
Am propus denumirea de proteină pentru oxidul organic al fibrinei și albuminei, aș dori să derivăm acest cuvânt din grecescul πρωτειος, deoarece pare a fi substanța primitivă sau principală a digestiei la animale.
Text original (engleză)[ arataascunde] Denumirea proteină pe care o propun pentru oxidul organic al fibrinei și albuminei, am vrut să derivă din cuvântul grecesc πρωτειος, deoarece pare a fi substanța primitivă sau principală a nutriției animalelor. Textul original (fr.)[ arataascunde] Le nom proteină, care vă propune pentru l'oxyde organique de la fibrine et de l'albumine, je voilais le dériver de πρωτειος, parce qu'il paraît être la substance primitive ou principale de la nutrition animale. - Din corespondența personală a lui Berzelius din 10 iulie 1838.Mulder a identificat, de asemenea, produse de degradare a proteinelor, în special aminoacidul leucină , și i-a determinat greutatea moleculară, 131 Da .
Greutatea moleculară minimă a proteinei, conform analizei lui Mulder, a fost de aproximativ 9 kDa , de sute de ori mai mare decât majoritatea celorlalte molecule pe care le întâlnise. Prin urmare, structura chimică a proteinei (mai precis, structura primară ) a rămas necunoscută până în 1949, când Frederick Sanger a determinat secvența de aminoacizi a primei proteine, care a fost insulina . Cu toate acestea, teoretic, în 1902, Franz Hofmeister și Emil Fischer au prezis că proteinele sunt un lanț liniar de resturi de aminoacizi conectate prin legături peptidice . Mulți oameni de știință s-au îndoit că astfel de lanțuri lungi de aminoacizi ar putea rămâne stabile în soluție și au existat și teorii alternative despre posibila structură a proteinelor. De exemplu, conform ipotezei coloidului, proteinele sunt formate din cicloli .
Faptul că proteinele sunt încă macromolecule cu o anumită structură, și nu amestecuri coloidale, a fost demonstrat de Theodor Svedberg folosind ultracentrifugarea analitică. Este dificil să obțineți mai mult de câteva miligrame de proteine prin curățarea din țesut. Prin urmare, au fost efectuate studii timpurii asupra proteinelor care sunt ușor de purificat din albușul de ou, sânge și diverse toxine și sucuri digestive obținute din abatoare . Tehnicile de purificare a proteinelor s-au dezvoltat rapid în timpul celui de-al Doilea Război Mondial din cauza necesității de a obține proteine din sânge purificate pentru a trata soldații răniți. La sfârșitul anilor 1950, compania americană Armor and Company a purificat cantități mari de ribonuclează A și a furnizat-o gratuit pentru cercetare. Ca urmare, RNaza A a devenit obiectul principal al cercetării fundamentale pentru multe grupuri științifice timp de câteva decenii. În special, pe el au fost realizate mai multe lucrări distinse cu Premiul Nobel.
Cercetările privind structura spațială a proteinelor au început în anii 1910, când Crick și Martin au arătat că în timpul coagulării , precipitarea proteinelor este precedată de un alt proces, denaturarea , în care proteina își pierde solubilitatea și activitatea enzimatică, dar capătă proprietăți chimice suplimentare. La mijlocul anilor 1920, s-a observat că uneori denaturarea poate fi reversibilă, iar modificarea energiei libere în acest proces este semnificativ mai mică decât în reacțiile chimice convenționale, iar până în 1929 a existat ideea că denaturarea este o schimbare a conformației lanț de aminoacizi, în care reziduurile aflate anterior în interiorul globului proteic sunt acum expuse la solvent. Într-un astfel de caz, solubilitatea ar trebui să scadă în conformitate cu solubilitatea relativ scăzută a aminoacizilor cu grupări laterale alifatice și aromatice. În consecință, apar proprietăți chimice suplimentare și se pierde activitatea enzimatică.
La începutul anilor 1960, Christian Anfinsen a arătat că RNaza A într-adevăr a denaturat reversibil și că conformația naturală a acestei proteine corespundea minimului global de energie liberă.
Când structura proteinei nu era încă cunoscută, Dorothy Rinch și Irving Langmuir , pentru a fundamenta ipoteza ciclolilor , au sugerat că aceste structuri sunt stabilizate prin legături hidrofobe . Deși ideea interacțiunilor hidrofobe a fost susținută de însuși John Bernal , ea a fost respinsă în anii 1930, împreună cu ipoteza ciclolului, de Linus Pauling și alți cercetători. Pauling a fost un susținător al legăturilor de hidrogen, a cărei teorie a fost dezvoltată de William Astbury . În ciuda faptului că rolul legăturilor de hidrogen în stabilizarea structurii proteinei sa dovedit în cele din urmă a fi nesemnificativ, acest lucru nu l-a împiedicat pe Pauling să-și formuleze corect ideile despre elementele structurale de bază ale proteinei, elice alfa și pliuri beta . Semnificația legăturilor hidrofobe a devenit clară abia în 1959, când s-a demonstrat că ionizarea unor resturi de aminoacizi, arătată de Arne Tiselius , joacă un rol doar pe suprafața globului proteic, unde lanțul polipeptidic intră în contact cu solvent.
Structura spațială a proteinelor globulare a fost studiată inițial doar prin metode hidrodinamice și ultracentrifugare. În anii 1950 au apărut metode spectrale, inclusiv dicroismul circular, fluorescența, determinarea spectrelor de absorbție în regiunile ultraviolete și infraroșii. Cristalografia și analiza de difracție cu raze X pentru a determina structura spațială a hemoglobinei au fost aplicate pentru prima dată de Perutz și Kendrew în anii 1960. Pentru această lucrare au primit Premiul Nobel. În anii 1980 a început să se aplice și rezonanța magnetică nucleară . Până în 2006, Protein Data Bank conținea date despre structura spațială a 40.000 de proteine. Datorită identificării domeniilor conservate , structurile omoloage ale diferitelor proteine pot fi acum reconstruite folosind programe de calculator, iar microscopia crioelectronică este utilizată pentru a studia structura complexelor proteine-proteine mari.