МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ БИОЛО́ГИЯ

МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ БИОЛО́ГИЯ, изу­ча­ет мо­ле­ку­ляр­ные ос­но­вы жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов. Гл. на­прав­ле­ния ис­сле­до­ва­ний свя­за­ны с изу­че­ни­ем ме­ха­низ­мов хра­не­ния, вос­про­из­ве­де­ния и пе­ре­да­чи ге­не­тич. ин­фор­ма­ции. Ис­хо­дя из это­го, осн. объ­ек­та­ми ис­сле­до­ва­ния М. б. яв­ля­ют­ся нук­леи­но­вые ки­сло­ты – де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые (ДНК) и ри­бо­нук­леи­но­вые (РНК) – и бел­ки, а так­же их мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ные ком­плек­сы – хро­мо­со­мы, ри­бо­со­мы, муль­ти­фер­мент­ные сис­те­мы, обес­пе­чи­ваю­щие био­син­тез нук­леи­но­вых ки­слот и бел­ков. М. б. гра­ни­чит, а по объ­ек­там и ме­то­дам ис­сле­до­ва­ния ча­стич­но сов­па­да­ет с мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­кой, ви­ру­со­ло­ги­ей, сис­те­ма­ти­кой ор­га­низ­мов, био­хи­ми­ей, кле­точ­ной био­ло­ги­ей, био­фи­зи­кой, био­ор­га­нич. хи­ми­ей, кри­стал­ло­гра­фи­ей, ком­пь­ю­тер­ным мо­де­ли­ро­ва­ни­ем, био­ин­фор­ма­ти­кой и др. М. б. не толь­ко за­ви­сит от про­грес­са этих на­ук, но и ока­зы­ва­ет су­ще­ст­вен­ное влия­ние на их раз­ви­тие, ста­вя пе­ред ни­ми весь­ма не­три­ви­аль­ные за­да­чи.

Первые этапы развития молекулярной биологии

Да­той воз­ник­но­ве­ния М. б. при­ня­то счи­тать 1953, ко­гда Дж. Уот­сон и Ф. Крик пра­виль­но ин­тер­пре­ти­ро­ва­ли рент­ге­но­ст­рук­тур­ные дан­ные Р. Франк­лин и М. Уил­кин­са и по­строи­ли мо­дель про­странст­вен­ной струк­ту­ры ДНК в ви­де двой­ной спи­ра­ли. Ис­хо­дя из этой мо­де­ли, они пред­ло­жи­ли про­стой мат­рич­ный ме­ха­низм её ре­п­ли­ка­ции (уд­вое­ния), ос­но­ван­ный на прин­ци­пе ком­пле­мен­тар­но­сти ге­те­ро­цик­ли­че­ских ос­но­ва­ний ДНК. Т. о. впер­вые фун­дам. био­ло­гич. яв­ле­ние (на­след­ст­вен­ность) уда­лось опи­сать на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не в про­стых хи­мич. тер­ми­нах. Это­му от­кры­тию, од­но­му из круп­ней­ших в ис­то­рии ес­те­ст­во­зна­ния, пред­ше­ст­во­вал дли­тель­ный пе­ри­од ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти био­хи­мии, ци­то­ло­гии, ге­не­ти­ки и хи­мии нук­леи­но­вых ки­слот, ко­то­рые при­ве­ли к ус­та­нов­ле­нию ге­не­тич. ро­ли ДНК. К сер. 1930-х гг. от­кры­тие ос­но­во­по­лож­ни­ком М. б. в Рос­сии А. Н. Бе­ло­зер­ским ДНК в рас­те­ни­ях (ра­нее счи­та­лось, что ДНК при­сут­ст­ву­ет толь­ко в яд­рах кле­ток жи­вот­ных) при­ве­ло к ут­вер­жде­нию то­го фун­дам. по­ло­же­ния, что ДНК со­дер­жат­ся в ка­ж­дой жи­вой клет­ке. К нач. 1940-х гг. бы­ла до­ка­за­на так­же уни­вер­саль­ность рас­про­стра­не­ния в жи­вой при­ро­де и РНК. В 1944 амер. мик­ро­био­лог О. Т. Эй­ве­ри с со­труд­ни­ка­ми осу­ще­ст­вил ге­не­тич. транс­фор­ма­цию бак­те­рий с по­мо­щью чис­той ДНК, тем са­мым про­де­мон­ст­ри­ро­вав, что она яв­ля­ет­ся но­си­те­лем на­след­ст­вен­но­сти. К на­ча­лу ра­бо­ты Уот­со­на и Кри­ка в ла­бо­ра­то­рии Э. Чар­гаф­фа был ис­сле­до­ван нук­лео­тид­ный со­став ДНК из мно­гих ор­га­низ­мов и до­ка­за­но, что в лю­бой ДНК мо­ляр­ные до­ли пу­рино­вых и пи­ри­ми­ди­но­вых ос­но­ва­ний – аде­ни­на и ти­ми­на, гуа­ни­на и ци­то­зи­на, рав­ны ме­ж­ду со­бой ($\text{A=T, G=C}$; т. н. пра­ви­ло Чар­гаф­фа). Уот­сон и Крик по­ка­за­ли, что имен­но эти ос­но­ва­ния, бу­ду­чи рас­по­ло­жен­ны­ми в раз­ных це­пях мо­ле­ку­лы ДНК друг на­про­тив дру­га, ком­пле­мен­тар­ны. К 1953 А. Тодд и его шко­ла ус­та­но­ви­ли прин­ци­пы хи­мич. строе­ния нук­леи­но­вых ки­слот, так­же ис­поль­зо­ван­ные при по­строе­нии мо­де­ли двой­ной спи­ра­ли ДНК.

Становление молекулярной биологии как науки

Важ­ным ша­гом в раз­ви­тии ос­нов М. б. ста­ло по­сту­ли­ро­ва­ние Ф. Кри­ком (1955) пу­ти пе­ре­да­чи ге­не­тич. ин­фор­ма­ции от ДНК к бел­кам че­рез син­те­зи­руе­мую на ДНК с по­мо­щью мат­рич­но­го ме­ха­низ­ма РНК (т. н. цен­траль­ная дог­ма М. б.: ДНК$→$РНК$→$белок).

Ра­бо­ты Дж. Уот­со­на и Ф. Кри­ка по­ро­ди­ли бес­пре­це­дент­ную по мас­шта­бу и про­дук­тив­но­сти вол­ну экс­пе­рим. ра­бот (срав­ни­ма толь­ко с си­туа­ци­ей в атом­ной фи­зи­ке в 1930–40-х гг.). Уже к кон. 1950-х гг. было до­ка­за­но, что ре­п­ли­ка­ция ДНК идёт с рас­пле­та­ни­ем двой­ной спи­ра­ли и син­те­зом двух до­чер­них мо­ле­кул ДНК на ка­ж­дой из це­пей по мат­рич­но­му прин­ци­пу (тем са­мым бы­ла экс­пе­ри­мен­таль­но обос­но­ва­на вы­дви­ну­тая в 1927 ги­по­те­за Н. К. Коль­цо­ва о мат­рич­ном ме­ха­низ­ме ре­п­ли­ка­ции хро­мо­сом); был опи­сан фер­мент ДНК-по­ли­ме­ра­за, спо­соб­ный осу­ще­ст­в­лять этот про­цесс; пред­ло­жен ме­тод мо­ле­ку­ляр­ной ДНК–ДНК- и ДНК–РНК-гиб­ри­ди­за­ции, ос­но­ван­ный на спо­соб­но­сти ком­пле­мен­тар­ных по­ли­нук­лео­ти­дов спе­ци­фи­че­ски свя­зы­вать­ся друг с дру­гом; бы­ли об­на­ру­же­ны мат­рич­ные (ин­фор­ма­ци­он­ные) РНК (мРНК), в ко­то­рых пе­ре­пи­са­на за­ко­ди­ро­ван­ная в ДНК ин­фор­ма­ция о струк­ту­ре бел­ков, и фер­мент РНК-по­ли­мераза, ка­та­ли­зи­рую­щий син­тез РНК на ДНК (транс­крип­цию); бы­ло до­ка­за­но, что син­тез бел­ка (транс­ля­ция) про­ис­хо­дит на ри­бо­со­мах (ком­плек­сах не­ко­ди­рую­щей бел­ки ри­бо­сом­ной РНК со спе­ци­аль­ны­ми ри­бо­сом­ны­ми бел­ка­ми) так­же по мат­рич­но­му ме­ха­низ­му, бы­ли от­кры­ты транс­порт­ные РНК (тРНК), спе­ци­фи­че­ски ак­цеп­ти­рую­щие ами­но­кис­ло­ты, с по­мо­щью ко­то­рых этот ме­ха­низм реа­ли­зу­ет­ся. В нач. 1960-х гг. амер. учё­ны­ми П. До­ти и Ж. Фре­ско, А. С. Спи­ри­ным и др. бы­ли ус­та­нов­ле­ны прин­ци­пы ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры РНК. В 1961 Ф. Жа­коб и Ж. Мо­но опуб­ли­ко­ва­ли схе­му ре­гу­ля­ции син­те­за бел­ков на уров­не транс­крип­ции, ко­то­рая уже че­рез неск. лет бы­ла экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­за­на, бла­го­да­ря от­кры­тию бел­ков-ре­прес­со­ров и бел­ков-ак­ти­ва­то­ров транс­крип­ции; бы­ло по­ка­за­но, что РНК-по­ли­ме­ра­за са­ма яв­ля­ет­ся ре­гу­ля­то­ром ген­ной ак­тив­но­сти (Р. Б. Хе­син-Лу­рье, 1961). На ос­но­ва­нии этих ра­бот бы­ла сфор­му­ли­ро­ва­на про­бле­ма спе­ци­фич. нук­леи­но­во-бел­ко­во­го уз­на­ва­ния – фи­зич. яв­ле­ния, с по­мо­щью ко­то­ро­го реа­ли­зу­ют­ся мн. эта­пы пе­ре­да­чи ге­не­тич. ин­фор­ма­ции в клет­ке. В 1-й пол. 1960-х гг. бы­ла за­вер­ше­на рас­шиф­ров­ка ами­но­кис­лот­но­го ге­не­ти­че­ско­го ко­да (М. У. Ни­рен­берг, С. Очоа, Х. Г. Ко­ра­на), од­но­го из осн. за­ко­нов жи­вой при­ро­ды, уп­рав­ляю­ще­го пе­ре­во­дом нук­лео­тид­но­го «язы­ка» нук­леи­но­вых ки­слот на ами­нокис­лот­ный «язык» бел­ков, а к кон. 1960-х гг. де­таль­но опи­са­ны все ста­дии транс­ля­ции; осу­ще­ст­в­ле­на ре­кон­ст­рук­ция ри­бо­сом из РНК и бел­ков вне клет­ки; рас­кры­ты прин­ци­пи­аль­ные мо­мен­ты та­ких про­цес­сов пре­вра­ще­ния ДНК, как ре­па­ра­ция по­вре­ж­де­ний в её мо­ле­ку­лах, ме­ха­низ­мы ре­ст­рик­ции-мо­ди­фи­ка­ции и ге­не­тич. ре­ком­би­на­ция; опи­са­ны нук­лео­со­мы – осн. ре­гу­ля­тор­ные струк­тур­ные эле­мен­ты хро­ма­ти­на. К это­му же вре­ме­ни бы­ли соз­да­ны эф­фек­тив­ные сис­те­мы бес­кле­точ­но­го син­те­за нук­леи­но­вых ки­слот и бел­ков, став­шие важ­ным ин­ст­ру­мен­том М. б. В 1970 Х. М. Те­мин и Д. Бал­ти­мор от­кры­ли в он­ко­ген­ных ви­ру­сах РНК-за­ви­си­мую ДНК-по­ли­ме­ра­зу и тем са­мым по­ка­за­ли, что в прин­ци­пе по­ток ге­не­тич. ин­фор­ма­ции мо­жет быть об­ра­щён и от РНК к ДНК.

Важ­ной ве­хой раз­ви­тия М. б. ста­ло соз­да­ние в нач. 1970-х гг. ме­то­до­ло­гии ге­не­ти­че­ской ин­же­не­рии. Воз­мож­ность ра­бо­тать с ре­ком­би­нант­ны­ми ДНК сде­ла­ла дос­туп­ны­ми для ис­сле­до­ва­ния ин­ди­ви­ду­аль­ные ге­ны и ре­гу­ля­тор­ные ге­не­тич. эле­мен­ты. Бла­го­да­ря это­му по­сле 1977 бы­ло об­на­ру­же­но мо­за­ич­ное (эк­зон-ин­трон­ное) строе­ние ге­нов, от­кры­то яв­ле­ние сплай­син­га РНК и вы­яв­ле­ны мн. де­та­ли ме­ха­низ­мов про­цес­син­га РНК.

Т. о., уже за 1-ю чет­верть ве­ка су­ще­ст­во­ва­ния М. б. пре­вра­ти­лась в са­мо­сто­ят. нау­ку со свой­ст­вен­ны­ми толь­ко ей за­да­ча­ми, ме­то­до­ло­ги­ей и мощ­ным ар­се­на­лом спе­циа­ли­зир. ме­то­дов. К по­след­ним от­но­сят­ся рент­ге­но­ст­рук­тур­ный ана­лиз и ЯМР-спек­тро­ско­пия вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния круп­ных мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ных био­по­ли­ме­ров и их ком­плек­сов, ме­то­ды бы­ст­ро­го ав­то­ма­тич. се­к­ве­ни­ро­ва­ния и хи­мич. син­те­за нук­леи­но­вых ки­слот и бел­ков, ме­то­ды, по­зво­ляю­щие изу­чать ин­ди­ви­ду­аль­ные мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ные ком­плек­сы в про­цес­се их функ­цио­ни­ро­ва­ния, ме­то­ды ана­ли­за транс­крип­то­мы и про­те­омы (всей со­во­куп­но­сти син­те­зи­руе­мых клет­кой РНК и бел­ков со­от­вет­ст­вен­но) и мно­гие др. По ши­ро­те и глу­би­не на­уч. от­кры­тий, ко­ли­че­ст­ву ис­сле­до­ва­те­лей, пуб­ли­ка­ций, Но­бе­лев­ских пре­мий и об­ществ. ин­те­ре­су М. б. за­ня­ла од­но из ве­ду­щих мест сре­ди ес­теств. на­ук.

Современная молекулярная биология

По­сле­дую­щее раз­ви­тие М. б. при­ве­ло к важ­ным от­кры­ти­ям, пре­ж­де все­го в об­лас­ти ис­сле­до­ва­ний РНК. Бы­ло по­ка­за­но, что не­ко­то­рые РНК, на­зван­ные ри­бо­зи­ма­ми, об­ла­да­ют фер­мен­та­тив­ной ак­тив­но­стью (Т. Чек, С. Ол­тмен, 1982). Бы­ла от­кры­та те­ло­ме­ра­за – РНК-со­дер­жа­щий фер­мент, ко­то­рый на­ра­щи­ва­ет те­ло­ме­ры на кон­цах ли­ней­ных хро­мо­сом (1987). Вы­даю­щим­ся дос­ти­же­ни­ем М. б. сер. 1990-х гг. ста­ло от­кры­тие яв­ле­ния РНК-ин­тер­фе­рен­ции и то­го фак­та, что око­ло тре­ти ге­нов че­ло­ве­ка и др. эу­ка­ри­от ре­гу­ли­ру­ет­ся при по­мо­щи т. н. ин­тер­фе­ри­рую­щих РНК (Э. Файр, К. Мел­ло и др.).

Ха­рак­тер­ным для М. б. по­след­них лет ста­ло изу­че­ние де­таль­ных ме­ха­низ­мов от­кры­тых ра­нее этой нау­кой яв­ле­ний с по­мо­щью атом­ных струк­тур гл. уча­ст­ни­ков про­цес­сов реа­ли­за­ции ге­не­тич. ин­фор­ма­ции в клет­ке, напр. изу­че­ние ме­ха­низ­ма функ­цио­ни­ро­ва­ния ри­бо­со­мы на ос­но­ве её кри­стал­лич. струк­ту­ры, рас­шиф­ро­ван­ной с атом­ным раз­ре­ше­ни­ем в 2000–01 (Т. Стейц, В. Ра­мак­риш­нан, Х. Нол­лер и др.). Од­на из за­дач, стоя­щих пе­ред М. б., – функ­цио­наль­ный ана­лиз с по­мо­щью ме­то­дов совр. био­ин­фор­ма­ти­ки ги­гант­ско­го объ­ё­ма ге­не­тич. ин­фор­ма­ции, на­ко­п­лен­но­го при оп­ре­де­ле­нии струк­ту­ры ге­но­ма че­ло­ве­ка и мн. др. ор­га­низ­мов.

К кон. 20 в. из фун­да­мен­таль­ной М. б. вы­де­ли­лось на­прав­ле­ние при­клад­ной М. б., ко­то­рое ста­ло од­ной из ос­нов совр. био­тех­но­ло­гии. Оно свя­за­но с ши­ро­ким ис­поль­зо­ва­ни­ем ме­то­дов ге­не­тич. ин­же­не­рии для пром. по­лу­че­ния бел­ков с по­лез­ны­ми свой­ст­ва­ми, вы­яв­ле­ни­ем и изу­че­ни­ем струк­ту­ры по­тен­ци­аль­ных ми­ше­ней для ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов. Ин­тен­сив­но раз­ви­ва­ют­ся ДНК-на­но­тех­но­ло­гии, ко­то­рые по­зво­ля­ют соз­да­вать прин­ци­пи­аль­но но­вые ма­те­риа­лы, ос­но­вы­ва­ясь на спо­соб­но­сти мо­ле­кул ДНК к са­мо­сбор­ке.

Раз­ви­тие М. б. по­влек­ло за со­бой по­яв­ле­ние боль­шо­го чис­ла спе­циа­ли­зи­ро­ван­ных н.-и. цен­тров в раз­ных стра­нах. В СССР пер­вый спе­циа­ли­зи­ро­ван­ный ин-т М. б. в сис­те­ме АН СССР по ини­циа­ти­ве В. А. Эн­гель­гард­та был соз­дан в 1957 (см. Мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии ин­сти­тут). За­тем в сис­те­ме Ака­де­мии на­ук об­ра­зо­ва­ны Ин-т хи­мии при­род­ных со­еди­не­ний (ны­не Био­ор­га­ни­че­ской хи­мии ин­сти­тут), Ин-т бел­ка (Пу­щи­но), от­дел в Ин-те атом­ной энер­гии (ны­не Мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­ки ин­сти­тут), Ин-т био­ор­га­нич. хи­мии СО АН СССР (ны­не Ин-т хи­мич. био­ло­гии и фун­дам. ме­ди­ци­ны СО РАН), Меж­фа­куль­тет­ская ла­бо­ра­то­рия био­ор­га­нич. хи­мии МГУ (ны­не Фи­зи­ко-хи­ми­че­ской био­ло­гии науч­но-ис­сле­до­ва­тель­ский ин­сти­тут МГУ) и ряд дру­гих. В 1966 при Ин-те мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии со­здан на­уч. со­вет по М. б., яв­ляю­щий­ся ко­ор­ди­ни­ру­ю­щим и ор­га­ни­зую­щим цен­тром в этой об­лас­ти зна­ний.