Cine a descoperit structura ADN-ului. Invenții și descoperiri

Pătrunzând din ce în ce mai adânc în secretele universului, omul a încercat să răspundă la una dintre principalele întrebări pe care le-au pus vechii înțelepți: ce este viața, ce este omul însuși? Misterul nașterii organismelor vii i-a interesat pe oamenii de știință nu mai puțin decât structura stelelor. Descoperirile în domeniul biologiei, făcute în secolul XX, au adus omenirea la noi frontiere, au conturat perspective cu adevărat fantastice. Biologia moleculară este încă una dintre cele mai promițătoare științe ale timpului nostru.

După ce a dezvoltat teoria evoluției organismelor vii, Darwin nu a putut răspunde la întrebarea cum modificările în structura și funcțiile organismelor vii care au apărut în procesul acestei evoluții sunt fixate la descendenți. Dar când cartea sa tocmai ieșise din tipar, Gregor Mendel își pusese deja experimentele în Cehia. Concluziile sale au pus bazele dezvoltării științei eredității - genetica, care era menită să explice cele mai importante mistere ale universului. Folosind modelul de mazăre, Mendel a fost primul care a stabilit existența unor „factori ereditari” speciali (numiți mai târziu „gene”), transmisi de la o generație la alta, purtând în același timp anumite trăsături. Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp, mecanismul de transmitere în sine a fost necunoscut oamenilor de știință.

În același timp, în Germania a lucrat zoologul August Weismann, care a exprimat și a dovedit corectitudinea opiniei că transferul proprietăților parentale către urmași depinde de transferul direct al unei substanțe materiale de către părinți, care, potrivit lui Weismann, a fost închise în cromozomi – organele celulei. Cele mai importante cercetări pentru dezvoltarea geneticii au fost efectuate ulterior de americanul Thomas Morgan. După ce a realizat o mulțime de experimente pe muștele fructelor, el și colegii săi au ajuns la concluzii despre fundamentele materiale ale eredității, localizarea liniară a genelor în cromozomi, modelele variabilității lor mutaționale, mecanismul citogenetic al transmiterii lor ereditare etc., ceea ce a făcut este posibilă finalizarea principiilor de bază teoria cromozomilor ereditate.

În 1869, biochimistul Mischer a izolat din nucleele celulei o substanță necunoscută până acum cu proprietăți acid slab... Mai târziu, chimistul Levin a descoperit că în compoziția acestui acid se află carbohidratul dezoxiriboză, motiv pentru care a fost numit acid dezoxiribonucleic (ADN). În 1920, același Levin a identificat patru baze azotate în ADN: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timidină (T). Astfel, deja în anii 20 ai secolului XX. oamenii de știință știau din ce este făcut ADN-ul. Această informație a fost completată substanțial în 1950 de biochimistul Chargaf, care a descoperit că într-o moleculă de ADN cantitatea de A este egală cu cantitatea de T, iar cantitatea de G este egală cu cantitatea de C.

Cu toate acestea, în ceea ce privește rolul ADN-ului în stocare și transmitere informații ereditare, apoi multă vreme au existat doar presupuneri despre asta. În 1944, microbiologii Avery, McCarthy și McLeod au transferat pentru prima dată anumite proprietăți de la un microb la altul folosind ADN.

Și pe 28 februarie 1953, doi tineri oameni de știință de la Universitatea din Cambridge, James Watson și Francis Crick, și-au anunțat descoperirea structurii moleculei de ADN. Ei au descoperit că această moleculă este o spirală formată din două lanțuri. Fiecare lanț, care are o bază fosfat-zahăr, conține baze azotate. Legăturile de hidrogen dintre A și T, pe de o parte, și G și C, pe de altă parte, determină stabilitatea structurii elicoidale duble. Watson și Crick au determinat că secvența bazelor azotate din structura ADN-ului dublu catenar este un „cod” informația genetică, care se transmite la copierea (dublarea) unei molecule. Când două catene de ADN sunt separate, de ele pot fi atașate noi nucleotide, iar în apropierea fiecăreia dintre catenele vechi se formează una nouă, care corespunde exact acesteia (deoarece singura combinație posibilă de nucleotide A - T, G - C).

Un articol de Watson și Crick intitulat „Structura moleculară a acizilor nucleici” a fost publicat pe 25 aprilie 1953 în revista Nature. În același număr, a fost publicat un articol de oamenii de știință londonez R. Franklin și M. Wilkins, care descriu rezultatele unui studiu cu raze X al unei molecule de ADN, care a arătat că această moleculă este într-adevăr un dublu helix.

Descoperirea lui Watson și Crick a fost recunoscută aproape în toată lumea (doar URSS a întârziat, unde genetica a fost distrusă datorită eforturilor academicianului Lysenko). Deja în 1961, biologii americani Nirenberg și Ochoa au stabilit că regiunile ADN individuale codifică, adică determină structura unor structuri proteice complet specifice („trei nucleotide adiacente codifică un aminoacid specific”). Acești oameni de știință au identificat codonii corespunzători fiecăruia dintre cei 20 de aminoacizi.

Desigur, descoperirea lui Watson și Crick a oferit doar o bază pentru cercetări ulterioare, dar fără această bază, genetica probabil nu s-ar fi putut dezvolta mai departe. În 1962, ambii oameni de știință au primit Premiul Nobel.

În prima jumătate a anilor 1970, au fost obținute pentru prima dată molecule hibride de ADN („ADN-ADN”), capabile să pătrundă în celule de diverse origini și să stimuleze acolo sinteza unor proteine ​​neobișnuite pentru aceste celule. A fost nașterea unei noi discipline, ingineria genetică, care a fost imediat adusă sub controlul guvernului datorită potențialei sale utilizări pentru a crea arme biologice. În 1977, a fost dezvoltată prima versiune a metodei „mașină” pentru determinarea secvențelor de nucleotide dintr-o moleculă de ADN, care a crescut dramatic numărul de regiuni genomice dezvăluite („citite”) și gene întregi. În 1982, a fost primit primul agent terapeutic al noii generații - insulina modificată genetic. Este produs de celulele bacteriene, în care este inserat ADN care codifică structura proteinei insulinei. În 1983, a fost dezvoltată o metodă de creștere a numărului de molecule de ADN folosind enzima polimerază, iar în 1985 - o metodă de „amprentare” moleculară individuală (adică un fel de „amprentare”) a fiecărei probe de ADN original. Acest lucru a făcut posibilă compararea diferitelor mostre de ADN între ele pentru a le determina identitatea sau, dimpotrivă, diferența. Aceste metode au început imediat să fie aplicate în medicina legală pentru identificarea „urmelor criminalității” biologice, precum și pentru stabilirea paternității. Noua tehnologie modificata genetic pentru producerea anumitor produse alimentare se extinde. În 2000, genomul uman a fost aproape complet decodificat. Știința s-a apropiat de posibilitatea de a determina în avans fenotipul, capacitatea, patologia unei persoane care este pe cale să se nască. Și nu doar pentru a defini, ci și pentru a corecta, pentru a înlocui „genele bolnave” cu cele „sănătoase”.

Din istoria descoperirii structurii ADN-ului

În 1910, a devenit clar că genele sunt localizate pe cromozomi. Dar nu era clar dacă genele erau făcute din proteine ​​sau acid nucleic.

În 1928 F. Griffith a început să studieze rolul acidului nucleic în viața celulară în experimente pe pneumococi.

Există două tipuri de pneumococi. Într-una, o pereche de celule bacteriene este înconjurată de o capsulă. Al doilea tip de celule este fără capsulă. Capsula protejează microbii de fagocitoză. Dacă introduci astfel de șoareci, atunci mor. Pneumococul fără capsulă nu infectează șoarecii și nu provoacă pneumonie.

O experienta. Șoarecii au fost infectați cu un amestec de celule de la pneumococi vii fără capsule și pneumococi morți cu capsule.

Se aștepta ca șoarecii să rămână sănătoși. Dar au murit de pneumonie. Bacteriile vii izolate de la șoareci au avut capsule. Acesta este fenomenul de transformare celulară.

O experienta. Microbiologii au sugerat că o substanță din pneumococi morți poate forța celulele vii să formeze capsule. Au demonstrat acest lucru în experimente.

Pneumococii cu capsule au ucis, le-au zdrobit și au preparat o soluție din aceste celule distruse - acesta este un extract. La mediul de cultură s-a adăugat un extract din celule moarte cu capsule, apoi la acest mediu s-au adăugat pneumococi vii fără capsule.

Rezultat: unele dintre celulele fără capsule au fost transformate în celule cu capsule; descendenții lor au posedat și capsulele și, atunci când au fost administrați la șoareci, au provocat pneumonie.

S-a dovedit că celulele fără capsule au suferit o schimbare - au început să posede capsule și au provocat pneumonie. Este important ca și descendenții lor să formeze capsule și să provoace pneumonie.

Concluzie: 1) semnele pneumococilor s-au schimbat, 2) acest lucru este mai probabil din cauza faptului că o anumită componentă a extractului sau a devenit parte a pneumococului.

Experimentele lui F. Griffith au fost continuate de oamenii de știință americani – microbiolog

DIN. Avery (1877-1955) și colaboratorii săi.

Ei au pus întrebarea: ce substanță provoacă transformarea unei tulpini de pneumococ în alta? Pentru a face acest lucru, au repetat experimentele lui F. Griffith, folosind un extract din acestea în loc de microbi.

În experimentele cu pneumococi, extractul și-a păstrat activitatea de transformare în timpul distrugerii proteinelor și ARN-ului din el, dar l-a pierdut în timpul distrugerii ADN-ului.

Concluzie: ADN-ul este substanța transformatoare. De aici, genele sunt construite din ADN.

Transformarea constă în transferul de gene de la pneumococi morți la cei vii și introducerea lor în cromozomul gazdă, adică. în pneumococi fără capsule.

Rolul ADN-ului în celulă a fost completat de viața virusurilor care conțin ADN. Ei infectează celulele bacteriene pentru a efectua un ciclu de reproducere în ele.

În același timp, a fost descoperită capacitatea ADN-ului virusului de a-și sintetiza copiile și proteinele.

Din tot ceea ce rezultă că ADN-ul controlează viața celulelor care îl conțin și este capabil să sintetizeze copii ale moleculelor sale. Acest proces se numește „autodublare” sau reproducere. ADN-ul este singura moleculă din natură care poate fi copiată.

Contribuția Acad. N.K. Koltsova

În 1927 savantul nostru - Acad. N.K. Koltsov (1872-1940) a scris că „o moleculă incredibil de lungă se potrivește într-un cromozom și de-a lungul ei există grupuri separate de atomi - gene”.

El a mai spus pentru prima dată că „în timpul diviziunii celulare, astfel de molecule nu sunt create din nou din bucăți separate, ci mai întâi formează copii exacte pe ele însele, iar apoi molecula originală și copia se vor dispersa împreună cu cromozomii fiice în celulele nou formate. ." Acesta este principiul matricei al replicării genelor și apoi a cromozomilor înainte ca celula să se împartă în două.

Cum se produce duplicarea ADN-ului înainte de diviziunea celulară a fost un mister pentru biologi de zeci de ani. Oamenii de știință au ghicit că pentru a înțelege acest lucru, trebuie să cunoașteți: 1) structura ADN-ului și 2) modurile în care nucleotidele sunt aranjate într-o moleculă.

Până în 1950, se știa că ADN-ul este o moleculă care constă din mii de molecule conectate între ele într-o linie de patru. tipuri diferite- nucleotide.

E. Chargaff (1950) a arătat că în orice ADN cantitatea de adenină este egală cu cantitatea de timină (A = T), iar cantitatea de guanină este egală cu cantitatea de citozină (G = C). Acest lucru a indicat că sunt în perechi în molecula de ADN: AT; G-C.

R. Fraklin (1920-1958) în laboratorul lui M. Wilkins prin metoda cristalografiei cu raze X a primit „acum faimoasa imagine a imaginii structurii ADN-ului”.

Cu toate acestea, nu a fost clar din aceste cunoștințe: cum funcționează această moleculă sau cum arată? Nimeni nu știa cum sunt construite unitățile chimice - A, T, G, C - pentru a transporta informații despre planul structurii și reproducerii viețuitoarelor.

Modelul moleculei de ADN

D. Watson și F. Crick au început să creeze un model al unei molecule de ADN, precum L. Pauling - pentru a studia structura spațială a unei proteine. Ar ajuta la înțelegerea detaliilor structurii și posibilelor funcții ale ADN-ului.

După ce au făcut calculele, au petrecut 18 luni creând un model și creând un model ADN. Dar nu erau siguri dacă acest model era corect.

Liderul R. Franklin - M. Wilkins i-a permis lui D. Watson să se familiarizeze cu imaginea cu raze X a moleculei de ADN, fără a-i spune nimic lui R. Franklin. Când D. Watson a văzut imaginea primită de R. Franklin, și-a dat seama: „el și F. Creek nu s-au înșelat”. În această imagine, ei au văzut clar semne spirale și s-a dus direct la laborator pentru a verifica „totul pe un model volumetric”.

Din cauza lipsei de plăci, D. Watson a tăiat patru tipuri de nucleotide din carton: adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C) și a început să le așeze pe masă.

El a descoperit imediat că adenina se combină cu timină și guanina cu citozină pe bază de cheie, formând perechi. Așa sunt ținute împreună cele două lanțuri ale moleculei de ADN.

Secvența acestor perechi într-o moleculă poate varia infinit. Acesta este ceea ce servește drept cifr sau cod, cu ajutorul căruia se criptează informația care determină tipul de proteină sintetizată de o anumită celulă (Fig. 1).

Orez. 1.

Bazele sunt conectate legături de hidrogen.

Molecula de ADN are două funcții: 1) de a transmite informații descendenților, adică. celule fiice și 2) implementează informații în interiorul celulei.

Din structura dublei helix, se vede imediat o consecință directă - replicare, adică. reproducerea ADN-ului. Metodă: divergența a două lanțuri complementare și construirea unui nou lanț complementar pentru fiecare dintre ele. Deci dintr-o moleculă de ADN se formează două, ceea ce este necesar pentru diviziunea celulară în două. Erori de replicare, de ex. mutațiile sunt motivul transformării unei celule normale într-una defectuoasă (Fig. 2 și 3).

Deci, principiul matricei al replicării ADN-ului înainte de divizare a fost dovedit.

Celulele, prezise de marele om de știință, acad. N.K. Koltsov. Două părți ale moleculei sunt separate una de cealaltă, pentru fiecare dintre ele este sintetizată o nouă jumătate a moleculei. Ordinea bazelor este în rolul unei matrice sau a unui șablon pentru completarea moleculelor.

ADN - un depozit de informații genetice

Informațiile despre sinteza fiecărui tip de proteină sunt stocate în ADN sub forma unei anumite secvențe liniare de baze.

În 1961 F. Crick a demonstrat că fiecare grup de trei baze formează un codon. Un codon codifică un aminoacid din cei 20 de aminoacizi majori.

Pentru a transfera informații despre structura proteinei din nucleul celulei, există ARNm. Este o copie dintr-un fragment al catenei de ADN șablon codificator. Conține uracil în loc de timină.

O proteină, veriga finală în implementarea informației genetice, va fi sintetizată din ARNm din ribozom cu ajutorul ARN-ului de transport. Deoarece ADN-ul servește ca depozit de informații genetice, se numește molecula vieții.

Înainte ca D. Watson și F. Crick să înceapă să lucreze la structura ADN-ului, multe se știau deja.

R. Franklin în 1951 a primit pentru prima dată prima radiografie unică a unei molecule de ADN, unde se poate observa că această moleculă are forma unei duble elice, foarte asemănătoare cu o scară în spirală. Fotografiile ei au jucat un rol decisiv în descoperirea lui D. Watson și F. Crick. Ca un semn al acestui lucru, R. Franklin este numit „pionierul” biologiei moleculare.

D. Watson, F. Crick și M. Wilkins au primit Premiul Nobel în 1962 pentru descoperirea structurii ADN-ului și a funcțiilor sale. R. Franklin a murit. A murit de cancer în 1958.

Revoluție în lumea științei

Descoperirea structurii spațiale a ADN-ului a devenit baza pentru o serie de noi descoperiri.

În anii 60. secolul XX. a fost confirmat mecanismul de replicare a ADN-ului, a fost descoperită o enzimă, ADN polimeraza, care catalizează acest proces.

Codul genetic este deschis, adică. codul prin care proteinele sunt sintetizate în celulă.

În anii 70. secolul XX. au fost create încă două metode: secvențierea și producerea de ADN recombinat.

Prepararea ADN recombinant sau metoda de clonare moleculară. Esența acestei metode este că un fragment care conține o anumită genă este inserat într-o moleculă de ADN.

De exemplu, îl introduc într-o bacterie și își sintetizează produsul - o proteină de care o persoană are nevoie.

În anii 80. secolul XX. polimeraza dezvoltată reacție în lanț(PCR). Această tehnologie este necesară pentru „multiplicarea” rapidă a fragmentului de ADN dorit.

Cu ajutorul PCR, este posibil să se efectueze diagnosticarea precoce a infecțiilor bacteriene și virale, precum și a primelor celule canceroase din corpul pacientului prin genele lor marker.

De exemplu, fragmente de gene marker de celule canceroase pot fi găsite în plasma sanguină a unui pacient. Dacă fragmentul este în cantitate mică sau numai, este extins folosind PCR și apoi ușor de identificat.

Descoperirea structurii ADN-ului a făcut posibil ca oamenii de știință să descifreze genomul oamenilor și al multor alte organisme. Această descoperire a făcut posibilă trecerea la terapia genică pentru orice boală, inclusiv pentru cancer.

Celula canceroasă „este slab recunoscută de sistemul imunitar al pacientului, deoarece ia naștere dintr-o celulă normală a organismului gazdă.”

Prin urmare, pentru a distruge celulele canceroase cu terapia genică, celulele canceroase trebuie mai întâi să fie „străine” sistemului imunitar.

Există multe moduri de a face acest lucru. Este posibil să izolați celulele canceroase din materialul de biopsie canceroasă, să introduceți o genă „străină” în ele și apoi să introduceți aceste celule canceroase înapoi în corpul pacientului. În acest caz, sistemul imunitar prin proteina acestei gene va recunoaște celulele canceroase ca fiind „străine” și le va distruge.

În experimentele pe animale, această metodă de influențare a ADN-ului celulelor canceroase a dat rezultate pozitive încurajatoare. Dar pentru tratamentul pacienților cu cancer, o metodă similară este încă în stadiul de studii clinice.

(E.D.Sverdlov, 2003).

Spre era „tehnologiei vii”

Și destul de neobișnuit - începutul unei noi ere a „tehnologiilor vii”. Oamenii de știință din mai multe țări declară că sunt aproape pregătiți să creeze „viață artificială”, adică. abiogeneza.

Până să existe o singură definiție a vieții, acesta se caracterizează prin trei caracteristici; 1) prezența unui container, i.e. membrană care conține conținutul celulei;

2) metabolism - capacitatea de a converti bazic nutriențiîn mecanismele de lucru ale celulei; 3) prezența genelor - structuri chimice necesare pentru a construi o celulă, care pot fi transmise descendenților și modificate odată cu schimbările din mediu.

Fiecare dintre aceste trei elemente a fost deja reprodus în laboratoare, oamenii de știință sunt gata să înceapă să încerce să combine toate acestea „într-o singură unitate de lucru”, adică. cuşcă.

Dacă va avea succes, va fi „lumea mașinilor vii ultra-mici: celulele speciale vor vindeca corpul uman și vor lupta împotriva poluanților. mediu inconjurator substanțe”.

Oamenii de știință cred că sarcina imediată a științei este crearea unei „celule artificiale” capabilă să se auto-reproducă și să producă un substanțe chimice, inclusiv medicamente care nu au fost încă sintetizate.

„Fierele vii artificiale” vor fi sub controlul complet al omului, de exemplu, „hrănindu-l” cu elemente care nu se găsesc în natură în formă pură.

Sinteza virusurilor și începutul sintezei celulare

1. prof. E. Wimmer și grupul său de la New York, în 2002, pentru prima dată de la nașterea „traiului” pe Pământ, au creat un virus poliomielita din materie neînsuflețită.

Oamenii de știință susțin: sunt virușii ființe vii sau obiecte neînsuflețite?

MINTE. Stanley, laureat al Premiului Nobel, consideră că „în celulă virusul se comportă ca o ființă vie, dar în afara celulei este mort ca o piatră”.

G. Nadson, microbiologul nostru, spune: „Un virus este fie o substanță cu proprietățile unei ființe, fie o ființă cu proprietățile unei substanțe”.

Acad. V.A. Engelhardt, omul nostru de știință, a scris: „Mulți virusuri constau doar din proteine ​​și acid nucleic. Ele pot fi clasificate ca compuși chimici - nucleoproteine”.

Genomul virusului poliomielitei a fost complet descifrat. Pe această bază, oamenii de știință au colectat secvența exactă de nucleotide corespunzătoare unei probe naturale.

Acest material genetic a fost plasat într-o soluție asemănătoare citoplasmatică. În ea, conform informațiilor conținute în ADN, au fost sintetizate proteinele necesare.

Prof. E. Wimmer raportează că, de îndată ce toate componentele genetice au fost introduse în eprubetă, virusul s-a „auto-asamblat”. Cu alte cuvinte,

„Viața, sau cel puțin aparența ei, a început cu o jumătate de întoarcere.”

Virusul creat arăta exact ca specimenul său natural. Pentru a dovedi activitatea virusului, oamenii de știință au infectat șoarecii cu acesta. Animalele au murit cu simptomele clasice ale poliomielitei.

Pentru asamblarea genomului virusului poliomielitei prof. E. Wimmer i-au luat trei ani.

În același laborator, J. Craig Venter a sintetizat virusul în 14 zile.

2. Sinteza virusului artificial phi-X174. Este un bacteriofag care există în natură și este sigur pentru oameni și animale.

K. Venter și echipa sa au luat mai multe secțiuni de ADN și le-au conectat, creând un genom complet al virusului, care conține unsprezece gene. Acest amestec a fost plasat într-o eprubetă, unde s-a asamblat independent într-un lanț genetic identic cu genomul phi-X174. După aceea, genomul asamblat a fost implantat într-o celulă vie, care a început să facă copii ale virusului.

3. Oamenii de știință americani vor crea o formă de viață necunoscută în natură. Oamenii de știință de la laboratorul Rockville și-au anunțat intenția de a crea cu ajutorul ingineriei genetice formă nouă viata - 21.11.2002.

Scopul proiectului este de a studia mecanismele fundamentale ale originii și dezvoltării vieții organice. Principalii contribuitori sunt geneticianul K. Venter şi laureat Nobel H. Smith.

Scopul experimentului este de a crea o singură celulă, care este baza pentru formarea unui organism cu un set minim de gene pentru a susține viața.

Dacă experimentul reușește, celula crescută va crește și se va diviza, creând astfel o întreagă structură celulară care nu există în natură. Va fi un organism „minimalist”.

La sfârșitul anilor 1990 ai secolului XX. K. Venter - la vremea respectivă șeful Institutului de Cercetări Genomice din Rockville (SUA) - a publicat o listă de gene necesare existenței organism unicelular, - micoplasme. Conform calculelor sale, acest locuitor al tractului reproductiv uman se poate descurca cu 300 din cele 517 gene ale sale, care în acest microb formează un singur cromozom.

Proiectul se bazează pe aceeași bacterie timp de 3 ani. Oamenii de știință intenționează să extragă tot materialul genetic din celula sa, apoi să asambleze un lanț de gene artificiale din „bucățile” sale, adică. cromozom. Acesta va include doar acele gene bacteriene care sunt „absolut necesare” pentru a susține viața unui nou organism. În etapa finală, lanțul genic asamblat va fi încorporat într-o celulă lipsită de material genetic.

Apoi „cel mai interesant lucru este să se întâmple, la ce este destinat experimentul” - renașterea bacteriilor. Vor urma observații suplimentare ale unui astfel de organism semi-natural: cum trăiește și se reproduce.

„Ne interesează: este posibil să ajungem la o definiție moleculară a vieții, iar scopul nostru principal este o înțelegere fundamentală a componentelor celei mai elementare celule vii.”

Pentru a evita crearea unui agent patogen, K. Venter și H. Smith vor priva noua „micoplasmă” de gene responsabile de atașarea acesteia la celulele din corpul uman, apoi de acele gene care îi permit să supraviețuiască în condiții nefavorabile. Rezultatul va fi „o creatură destul de fragilă, absolut dependentă de creatorii ei”.

Sarcina cercetării este, de asemenea, de a învăța cum să creăm artificial diverse gene. „Aceasta este cu adevărat știință de bază”, spune K. Venter. - Chiar

În ciuda faptului că am găsit toate genele din genomul uman, încă nu am reușit să înțelegem secretul celei mai simple celule. Asta vrem să facem acum.”

K. Venter și H. Smith și grupurile lor au, de asemenea, o altă opțiune pentru crearea unei celule vii: sintetizează în mod artificial aceste gene de bază în laborator, le asamblează într-un lanț și apoi le introduc în aceeași bacterie, din care tot materialul său genetic. vor fi șterse preliminar

Ce pune K. Venter în sarcina sa - de a da o „definiție moleculară a vieții”?

Orice celulă este construită din molecule, ca și corpul ca întreg. Structura și compoziția lor, precum și interacțiunile lor, sunt încorporate în gene. În timpul evoluției, fiecare moleculă este adaptată pentru a se potrivi cu funcția sa în celulă. O celulă nu este o acumulare haotică de molecule, ci „ordonarea lor”, adică organizare, deoarece este construit de gene prin produse – proteine. Distrugeți-l, apoi, deși aceste molecule ale celulei vor rămâne sub formă de amestec, ea va fi deja moartă, deoarece a fost distrusă. organizarea moleculară celule. Și a fost creat în procesul de evoluție al „viului”.

De aici: K. Venter se străduiește cu un minim de gene să obțină o astfel de organizare de molecule neînsuflețite, care se vor transforma în „vii”. Aceasta va fi abiogeneza.

MOSCOVA, 25 aprilie - RIA Novosti, Tatyana Pichugina.În urmă cu exact 65 de ani, oamenii de știință britanici James Watson și Francis Crick au publicat un articol despre descifrarea structurii ADN-ului, punând bazele unei noi științe - biologia moleculară. Această descoperire s-a schimbat foarte mult în viața omenirii. RIA Novosti vorbește despre proprietățile moleculei de ADN și de ce este atât de importantă.

În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, biologia era o știință foarte tânără. Oamenii de știință abia începeau să studieze celula, iar conceptul de ereditate, deși fusese deja formulat de Gregor Mendel, nu a câștigat o acceptare largă.

În primăvara anului 1868, un tânăr medic elvețian Friedrich Miescher a venit la Universitatea din Tübingen (Germania) pentru a studia munca stiintifica... Intenționa să afle din ce substanțe constă celula. Pentru experimente am ales leucocite, care sunt ușor de obținut din puroi.

Prin separarea nucleului de protoplasmă, proteine ​​și grăsimi, Miescher a descoperit un compus cu un conținut ridicat de fosfor. El a numit această moleculă nucleină („nucleul” în latină este nucleul).

Acest compus a prezentat proprietăți acide, deci termenul " acid nucleic". Prefixul său "deoxiribo" înseamnă că molecula conține grupe H și zaharuri. Apoi s-a dovedit că de fapt era o sare, dar numele nu a fost schimbat.

La începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință știau deja că nucleina este un polimer (adică o moleculă flexibilă foarte lungă de unități care se repetă), unitățile sunt compuse din patru baze azotate (adenină, timină, guanină și citozină) și nucleina este conținută în cromozomi - structuri compacte care apar în celulele în diviziune. Capacitatea lor de a transmite trăsături ereditare a fost demonstrată de geneticianul american Thomas Morgan în experimente pe muștele fructelor.

Modelul care a explicat genele

Dar ce face acidul dezoxiribonucleic, sau pe scurt ADN-ul, în nucleul celulei, nu a fost înțeles de mult. Se credea că joacă un fel de rol structural în cromozomi. Unitățile de ereditate - genele - au fost atribuite naturii proteice. Descoperirea a fost făcută de cercetătorul american Oswald Avery, care a demonstrat experimental că materialul genetic se transmite de la bacterii la bacterii prin ADN.

A devenit clar că ADN-ul trebuie studiat. Dar cum? La acel moment, doar razele X erau disponibile oamenilor de știință. Pentru a străluci moleculele biologice prin ele, au trebuit să se cristalizeze, iar acest lucru este dificil. Descifrarea structurii moleculelor de proteine ​​prin modele de difracție de raze X a fost efectuată la Laboratorul Cavendish (Cambridge, Marea Britanie). Tinerii cercetători James Watson și Francis Crick care au lucrat acolo nu aveau propriile lor date experimentale despre ADN, așa că au folosit radiografiile colegilor de la King's College Maurice Wilkins și Rosalind Franklin.

Watson și Crick au propus un model al structurii ADN-ului care corespunde exact modelelor de difracție de raze X: două fire paralele sunt răsucite într-o spirală dreaptă. Fiecare lanț este pliat de un set arbitrar de baze azotate înșirate pe coloana vertebrală a zaharurilor și fosfaților lor și ținute împreună prin legături de hidrogen întinse între baze. Mai mult, adenina se combină numai cu timina, iar guanina - cu citozina. Această regulă se numește principiul complementarității.

Modelul Watson și Crick a explicat cele patru funcții principale ale ADN-ului: replicarea materialului genetic, specificitatea acestuia, stocarea informațiilor într-o moleculă și capacitatea sa de a muta.

Oamenii de știință și-au publicat descoperirea în revista Nature pe 25 aprilie 1953. Zece ani mai târziu, el și Maurice Wilkins au primit Premiul Nobel pentru Biologie (Rosalind Franklin a murit în 1958 de cancer, la vârsta de 37 de ani).

„Acum, mai bine de o jumătate de secol mai târziu, putem afirma că descoperirea structurii ADN-ului a jucat același rol în dezvoltarea biologiei ca și descoperirea nucleului atomic în fizică. Elucidarea structurii atomului a dus la nașterea unei noi fizicii cuantice și descoperirea structurii ADN-ului au dus la nașterea uneia noi, biologia moleculară”, - scrie Maxim Frank-Kamenetsky, un genetician remarcabil, cercetător ADN, autorul cărții „The Cea mai importantă moleculă”.

Cod genetic

Acum nu mai rămânea decât să aflăm cum a funcționat această moleculă. Se știa că ADN-ul conține instrucțiuni pentru sinteza proteinelor celulare care fac toată munca în celulă. Proteinele sunt polimeri formați din seturi (secvențe) repetate de aminoacizi. În plus, există doar douăzeci de aminoacizi. Speciile de animale diferă unele de altele prin setul de proteine ​​din celule, adică prin secvențe diferite de aminoacizi. Genetica a susținut că aceste secvențe sunt date de gene, despre care apoi se credea că servesc drept primele blocuri de construcție a vieții. Dar ce gene erau, nimeni nu știa exact.

Claritatea a fost introdusă de autorul teoriei Big Bang fizicianul Georgy Gamov, angajat al Universității George Washington (SUA). Pe baza modelului helixului ADN dublu catenar al lui Watson și Crick, el a sugerat că o genă este o bucată de ADN, adică o anumită secvență de legături - nucleotide. Deoarece fiecare nucleotidă este una dintre cele patru baze azotate, trebuie doar să vă dați seama cum cele patru elemente codifică douăzeci. Aceasta a fost ideea din spatele codului genetic.

La începutul anilor 1960, s-a stabilit că proteinele sunt sintetizate din aminoacizi din ribozomi - un fel de „fabrici” în interiorul celulei. Pentru a începe sinteza proteinelor, o enzimă se apropie de ADN, recunoaște un loc specific la începutul genei, sintetizează o copie a genei sub forma unui ARN mic (se numește șablon), apoi o proteină este crescută din amino. acizi din ribozom.

De asemenea, au aflat că codul genetic este format din trei litere. Aceasta înseamnă că trei nucleotide corespund unui aminoacid. Unitatea codului a fost numită codon. În ribozom, informațiile din ARNm sunt citite codon cu codon, secvenţial. Și fiecare dintre ele corespunde mai multor aminoacizi. Cum arată cifrul?

La această întrebare au răspuns Marshall Nirenberg și Heinrich Mattei din SUA. În 1961, ei și-au prezentat rezultatele pentru prima dată la un congres biochimic la Moscova. Până în 1967, codul genetic fusese complet descifrat. S-a dovedit a fi universal pentru toate celulele tuturor organismelor, ceea ce a avut consecințe de amploare pentru știință.

Descoperirea structurii ADN-ului și a codului genetic complet reorientate cercetare biologică... Faptul că fiecare individ are o secvență unică de ADN a schimbat radical știința criminalistică. Descifrarea genomului uman a oferit antropologilor o metodă complet nouă de a studia evoluția speciei noastre. Editorul ADN recent inventat CRISPR-Cas a avansat mult ingineria genetică. Aparent, această moleculă stochează soluția la cele mai stringente probleme ale omenirii: cancerul, boli genetice, îmbătrânirea.

V. Ivanov, doctor în științe fizice și matematice

În urmă cu 60 de ani, s-a făcut un lucru minunat descoperire științifică... Pe 25 aprilie 1953, a fost publicat un articol despre cum funcționează cea mai misterioasă moleculă, molecula de acid dezoxiribonucleic. Se numește pe scurt ADN. Această moleculă se găsește în toate celulele vii ale tuturor organismelor vii. Oamenii de știință au descoperit-o acum mai bine de o sută de ani. Dar atunci nimeni nu știa cum este aranjată această moleculă și ce rol joacă ea în viața ființelor vii.
Fizicianul englez Francis Crick și biologul american James Watson au reușit să dezvăluie în sfârșit misterul. Descoperirea lor a fost foarte importantă. Și nu numai pentru biologi, care au aflat în sfârșit cum funcționează molecula, care controlează toate proprietățile unui organism viu. Una dintre cele mai mari descoperiri ale omenirii a fost făcută în așa fel încât este absolut imposibil de spus cărei științe îi aparține această descoperire - chimia, fizica și biologia s-au îmbinat atât de strâns în ea. Această fuziune a științelor este cea mai frapantă caracteristică a descoperirii lui Crick și Watson.

O MOLECULĂ POATE FI ARATĂ DIFERIT

Oamenii de știință au fost de mult interesați de secretul proprietății principale a tuturor organismelor vii - reproducerea. De ce copiii – fie că vorbim despre oameni, urși, viruși – sunt ca părinții și bunicii lor? Pentru a descoperi secretul, biologii au studiat o varietate de organisme.
Și oamenii de știință au descoperit că particulele speciale ale unei celule vii - cromozomii - sunt responsabile pentru asemănarea copiilor și a părinților. Arată ca niște bețe mici. Secțiuni mici ale cromozomului-bagheț au fost numite gene. Există o mulțime de gene și fiecare este responsabilă pentru un semn al viitorului organism. Dacă vorbim despre o persoană, atunci o genă determină culoarea ochilor, cealaltă determină forma nasului ... Dar în ce constă gena și cum funcționează, oamenii de știință nu știau. Adevărat, se știa deja: cromozomii conțin ADN și ADN-ul are ceva de-a face cu genele.
Diferiți oameni de știință au vrut să rezolve secretul genei: fiecare a privit acest secret din punctul de vedere al propriei științe. Dar pentru a afla cum funcționează o genă, o mică particule de ADN, a fost necesar să aflăm cum este aranjată molecula în sine și în ce constă.
Chimiști care cercetează compoziție chimică substanțe, a studiat compoziția chimică a moleculei de ADN. Fizicienii au început să scaneze ADN-ul cu raze X, așa cum scanează de obicei cristalele, pentru a afla cum funcționează aceste cristale. Și au aflat că ADN-ul este ca o spirală.
Biologii au fost, desigur, cei mai interesați de misterul genei. Și Watson a decis să abordeze problema genei. Pentru a învăța de la biochimiști avansați și pentru a afla mai multe despre natura genei, el a călătorit din America în Europa.
La acea vreme, Watson și Crick nu se cunoșteau încă. Watson, care a lucrat de ceva timp în Europa, nu a făcut niciun progres semnificativ în elucidarea naturii genei.
Dar pe una dintre conferințe științifice el a aflat că fizicienii studiază structura moleculei de ADN folosind propriile lor metode fizice. După ce a aflat acest lucru, Watson și-a dat seama că fizicienii îl vor ajuta să descopere secretul genei și a plecat în Anglia, unde a obținut un loc de muncă într-un laborator de fizică, în care au fost studiate moleculele biologice. Aici s-au întâlnit Watson și Crick.

CUM A fost INTERESAT DE BIOLOGIE FIZICIISTUL CREEK

Crick nu era deloc interesat de biologie. Până când a dat peste o carte a celebrului fizician Schrödinger „Ce este viața din punctul de vedere al fizicii?”
În această carte, autorul a sugerat că cromozomul este ca un cristal. Schrödinger a remarcat că „multiplicarea” genelor seamănă cu creșterea unui cristal și a sugerat că oamenii de știință consideră gena ca pe un cristal. Crick și alți fizicieni au fost interesați de această propunere. De aceea.
Un cristal este un corp fizic foarte simplu: același grup de atomi se repetă tot timpul în el. Și dispozitivul genei a fost considerat foarte complex, deoarece există atât de multe și toate sunt diferite. Dacă genele constau din substanță ADN, iar molecula de ADN este structurată în același mod ca un cristal, atunci se dovedește: este atât complexă, cât și simplă. Cum așa? Watson și Crick au înțeles că fizicienii și biologii știau prea puține despre molecula de ADN. Adevărat, chimiștii știau ceva despre ADN.

CUM I-A AJUTAT WATSON PE CHIMII, ȘI CHIMIMII - ȚILET

Chimiștii știau că există patru compuși chimici în molecula de ADN: adenină, timină, guanină și citozină. Au fost desemnați prin primele litere - A, T, G, C. Mai mult, era atât de multă adenină cât și timină și guanină - ca și citozină. De ce? Chimiștii nu au putut înțelege asta.
Ei au ghicit: avea ceva de-a face cu structura moleculei. Dar ei nu știau cum. Biologul Watson i-a ajutat pe chimiști.
Watson este obișnuit cu faptul că în natură, multe lucruri se găsesc în perechi: o pereche de ochi, o pereche de mâini, o pereche de picioare, există, de exemplu, două sexe: masculin și feminin... Se pare că el că o moleculă de ADN poate consta și din două lanțuri. Dar dacă ADN-ul este ca o spirală, așa cum au descoperit fizicienii folosind raze X, atunci cum se țin cele două lanțuri unul de celălalt în această spirală? Watson a sugerat că cu ajutorul lui A, G, C și T, care, la fel ca mâinile, sunt întinse unul spre celălalt. Decupând contururile acestora compuși chimici Watson le-a aplicat multă vreme așa și ăla, până când a văzut deodată: adenina se combină perfect cu timina, iar guanina cu citozina.
Watson i-a spus lui Creek despre asta. Și-a dat seama rapid cum ar trebui să arate dublu helix în realitate - în spațiu, nu într-un desen.
Ambii oameni de știință au început să construiască un model ADN.
Cum e să „construiești”? Așa. Dintr-un set de construcție moleculară care seamănă cu un set de construcție de jucării pentru copii. În constructorul molecular, detaliile sunt bile-atomi, care sunt prinse între ele cu butoane în ordinea în care se află atomii în substanță.
Designerul molecular a fost inventat de un alt om de știință - chimistul Pauling. El a construit modele de molecule de proteine ​​și a descoperit că acestea trebuie să conțină regiuni care arată ca spirale. Foarte curând acest lucru a fost confirmat de către fizicienii laboratorului în care lucra Crick. O problemă biologică importantă a fost rezolvată teoretic.
Lui Crick i-a plăcut atât de mult metoda lui Pauling, încât i-a sugerat lui Watson să construiască un model ADN folosind un constructor molecular. Așa a fost creat modelul celebrului DNA Double Helix, pe care îl puteți vedea în imagine.
Și ceea ce este remarcabil: datorită faptului că A dintr-un lanț se poate „lipi” numai cu T în altul, iar G - doar cu C, se îndeplinește automat regula „chimică”, conform căreia cantitatea de A este egală. la cantitatea de T, iar cantitatea de G este numărul de C. Dar cel mai important lucru este că, uitându-ne la ADN-ul Dublu Helix, este imediat clar cum să rezolvi ghicitoria reproducerii genelor. Este suficient să „desfășori” coada ADN-ului, iar fiecare lanț va putea completa unul nou pe sine, astfel încât A să se lipească împreună cu T și G - cu C: a existat o genă - sunt două. Datorită faptului că dimensiunile perechilor AT și G-C sunt aceleași, molecula de ADN în structură seamănă cu adevărat cu un cristal, așa cum au presupus fizicienii.
Și, în același timp, acest „cristal” poate conține o varietate de combinații de A, T, C, G și, prin urmare, toate genele sunt diferite.
Rezolvarea problemei genelor de către Watson și Crick a condus la faptul că literalmente în 2-3 ani s-a format un domeniu cu totul nou al științelor naturale, care a fost numit biologie moleculara... Este adesea numită biologie fizică și chimică.

CUM s-au oprit „FIZICA” ȘI „VERSURILE” SĂ SE CERTE

Există și alte exemple de pătrundere reciprocă a diferitelor științe unele în altele. Matematica, de exemplu, este utilizată pe scară largă în astronomie, fizică și chiar în... lingvistică, știința structurii limbajului.
Metode matematice, de exemplu, vă permit să identificați adevăratul autor al manuscriselor necunoscute. Au găsit o poezie necunoscută în arhive și cine este autorul ei? Cercetătorii presupun că a fost scris de un poet celebru. Dar cum poate fi verificată această presupunere? Matematicienii calculează de câte ori apare un anumit cuvânt în această lucrare sau, să zicem, în ce ordine apar cuvintele în text. Aceleași calcule se fac și în celebra lucrare a presupusului autor. Rezultatele sunt comparate. Dacă se potrivesc, atunci manuscrisul original a fost găsit. Așa ne întorc matematicienii, cititorilor, operele unor scriitori celebri și poeți furați de timp.
Sau, de exemplu, fizica și muzica... Ce poate avea în comun știința exactă cu arta? Se pare că există ceva în comun.
La instrumentele cu coarde - vioară, violoncel - muzicianul însuși alege înălțimea dorită. Violonistului nu-i place cum sună, de exemplu, nota „C”, i se pare că ar trebui să sune puțin mai sus sau, dimpotrivă, puțin mai jos - el însuși va selecta sunetul exact pe coardă. Pianistul nu poate face asta. Pe o tastatură, fiecare tastă este o notă specifică. De câte ori apăsați, va suna la fel. Aceasta înseamnă că pentru interpretarea exactă a unei piese muzicale, pianul cu cotă trebuie să fie acordat foarte precis. Fizicienii au calculat frecvența vibrației sunetului la care instrumentele muzicale cu tastatură pot fi reglate cel mai precis. După cum puteți vedea, ar fi dificil pentru muzicieni și lingviști fără fizicieni și matematicieni.
Pentru omul modern este necesar să existe o mare varietate de cunoştinţe. Acest lucru este deosebit de important pentru oamenii de știință de astăzi. În timpul nostru, au apărut multe științe compozite: Chimie Fizicași fizica chimică, chiar și, după cum știți acum, biologia fizică și chimică. Ce legătură au toate astea cu tine? Cel mai direct.
La școală, nici nu mă gândeam că voi studia vreodată biologia. Îi plăcea științe mai exacte. Dar acum sunt angajat în biologie.
Este greșit să se separe rechizite celor care sunt necesare și celor care nu sunt necesare. Cine știe ce ar putea fi util mai târziu?

În 1952, biofizicianul englez Rosalind Franklin a descoperit că acidul dezoxiribonucleic (ADN) seamănă ca structură cu o scară în spirală. Cu toate acestea, gloria acestei descoperiri, care a pus bazele cercetarea modernă genele au fost ulterior însuşite de Maurice I Wilkins, precum şi de Francis Crick şi James Watson.

Dispozitivul eredității I Rosalind Franklin a pornit de la presupunerea că ADN-ul de o lungime enormă este o moleculă polimerică de nucleotide - ar trebui să constea din blocuri repetate. Pentru a testa această ipoteză, cercetătorul englez nu a putut recurge pur și simplu la un microscop. Astfel de fenomene submicroscopice pot fi surprinse doar prin difracția cu raze X. Prin urmare, cercetătorul a expus moleculele de ADN la raze X și, ca urmare a unei munci lungi și minuțioase, a descoperit că structura lor este un dublu helix. Deci, pentru prima dată a fost posibil să ne imaginăm structura principalei componente a vieții umane.

Deschiderea în umbră

Franklin nu a publicat imediat rezultatele cercetării ei. Ea a vrut să obțină mai întâi confirmarea observațiilor ei de la colegi. În 1953, Maurice Wilkins, șeful lui Franklin, fără să știe ea, a înmânat rezultatele prezentate acestuia colaboratorului său Crick și biochimistului Watson. Până atunci, acești oameni de știință cunoșteau deja compoziția chimică a ADN-ului: zahăr, deoxiriboză, fosfat și baze care conțin azot adenină, citozină, guanină și timină și au apreciat instantaneu semnificația datelor lui Franklin.

Premiul Nobel nu este acordat postum

Crick și Watson, după ce au făcut unele completări și modificări lucrării, au publicat-o sub nume proprii... Celebrul articol „Structura moleculară a chisturilor de acid nucleic: structura acidului dezoxiribonucleic”, apărut în revista „Nature” în 1954, a stârnit un entuziasm furtunos al lumii științifice. Watson și Crick au creat un model logic invulnerabil care a devenit baza pentru cercetări ulterioare. Între timp, Rosalind Franklin a murit în 1958 de cancer, la vârsta de 37 de ani. Premiul Nobel pentru Medicină pentru descoperirea structurii ADN-ului a fost acordat în 1962 lui Crick, Watson și Wilkins.

• 1865: Gregor Johann Medel a stabilit legile moștenirii principiilor genetice.
• 1970: Hamilton O. Smith și Daniel Nathan au pus bazele ingineriei genetice.
• 1973: O bacterie modificată genetic este creată pentru prima dată în Statele Unite.
• 1976: Biofizicianul indian Har Gobind din Coran sintetizează gena pentru prima dată.