¿Cuál es la historia del desarrollo de la biología molecular?
El desarrollo de la biología molecular se puede dividir a grandes rasgos en tres etapas.
(1) Etapa de preparación y elaboración de cerveza
El período comprendido entre finales del siglo XIX y principios de la década de 1950 fue la etapa de preparación y elaboración de cerveza para el nacimiento de la biología molecular moderna.
Durante esta etapa se produjeron dos grandes avances en la comprensión de la naturaleza de la vida.
Está determinado que la proteína es la principal base material de la vida.
A finales del siglo XIX, los hermanos Buchner demostraron que el extracto libre de células de levadura puede fermentar el azúcar para producir alcohol, y por primera vez propusieron el nombre de enzima, que es un catalizador biológico.
Desde los años 1920 hasta los años 1940, algunas enzimas (incluidas la ureasa, la pepsina, la tripsina, las isoenzimas, el citocromo C, la actina, etc.) se purificaron y cristalizaron, demostrando la naturaleza de las enzimas.
Poco a poco se fue descubriendo que muchos fenómenos básicos de la vida (metabolismo material, metabolismo energético, digestión, respiración, movimiento, etc.) están relacionados con enzimas y proteínas, y pueden repetirse en experimentos in vitro. utilizando enzimas o proteínas purificadas.
Durante este periodo, la comprensión de la estructura de las proteínas también avanzó mucho.
En 1902, Emil Fisher demostró que la estructura de la proteína es un polipéptido; a finales de la década de 1940, Sanger creó el método del dinitrofluorobenceno (DNFB) y Edman desarrolló el método del isotiocianato de fenilo para analizar los aminoácidos N-terminales. de la cadena peptídica; en 1953 Sanger y Thompson completaron el análisis completo de la secuencia de aminoácidos de la primera molécula polipeptídica, la cadena A y la cadena B de insulina.
Debido al desarrollo de la tecnología de análisis de difracción de rayos X de cristales, Pauling y Corey propusieron el modelo de estructura α-helicoidal de la α-queratina en 1950.
Por lo tanto, en esta etapa se comprende la estructura primaria y la estructura espacial de la proteína.
El material que determina la herencia biológica es el ADN.
Aunque F. Miescher descubrió la nucleína en 1868, esta no llamó mucho la atención durante más de medio siglo.
En las décadas de 1920 y 1930 se confirmó que existen dos tipos de ácidos nucleicos en la naturaleza, el ADN y el ARN, y se aclaró la composición de los nucleótidos.
Debido a que el análisis cuantitativo de nucleótidos y bases en ese momento no era lo suficientemente preciso, se concluyó que los contenidos de A, G, C y T en el ADN eran aproximadamente iguales. Por lo tanto, durante mucho tiempo se creyó. que la estructura del ADN tenía sólo "cuatro núcleos" La repetición de unidades de "glucósidos" no tiene diversidad y no puede transportar más información. En ese momento, las proteínas eran las más candidatas a transportar información genética.
Los hechos experimentales posteriores a la década de 1940 han logrado grandes avances en la comprensión de la gente tanto de la función como de la estructura de los ácidos nucleicos.
En 1944, O.T. Avery et al. demostraron que el factor de transformación neumocócica es el ADN; en 1952, el análisis de difracción de rayos X de S. Furbery et al. aclaró que la conformación espacial de los nucleótidos no es plana; , y propuso que el ADN es una estructura de hélice; de 1948 a 1953, Chargaff et al. utilizaron nuevas técnicas de cromatografía y electroforesis para analizar las bases y las cantidades de nucleótidos que componen el ADN, acumularon una gran cantidad de datos y propusieron la regla de Chargaff. que la composición de bases del ADN es A=T, G=C, lo que sentó las bases para la comprensión de la estructura del ADN de los pares de bases y ácidos.
(2) La etapa de establecimiento y desarrollo de la biología molecular moderna
Esta etapa va desde principios de los años 50 hasta principios de los 70, con la doble hélice del ADN propuesta por Watson y Crick en 1953. El modelado estructural, como hito en el nacimiento de la biología molecular moderna, creó una oportunidad de oro para el establecimiento y desarrollo de teorías básicas de la genética molecular.
El significado más profundo del descubrimiento de la doble hélice del ADN es: estableció las bases estructurales de los ácidos nucleicos como moléculas de información; se propuso que el emparejamiento de bases es la forma básica de replicación de los ácidos nucleicos y de la información genética; transmisión; así finalmente se determinó que los ácidos nucleicos son genéticos. La base material sienta las bases más importantes para comprender la relación entre los ácidos nucleicos y las proteínas y su papel en la vida.
Los principales avances durante estos períodos incluyen:
El establecimiento del dogma central de la transmisión de información genética.
Paralelamente al descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN, Watson y Crick propusieron un posible modelo de replicación del ADN.
Más tarde, en 1956 A. Kornbery descubrió por primera vez la ADN polimerasa; en 1958, los experimentos de etiquetado de isótopos y separación por ultracentrifugación de Meselson y Stahl demostraron el modelo de semi-retención del ADN; en 1968, Okazaki propuso el modelo de replicación discontinua; En 1972, se confirmó que la replicación del ADN requiere ARN como cebador; a principios de la década de 1970, se obtuvo la ADN topoisomerasa y se analizaron y estudiaron las características de la ADN polimerasa eucariota, que mejoraron gradualmente la comprensión del mecanismo de replicación del ADN.
Mientras se estudiaba la transmisión de información genética a la descendencia mediante la replicación del ADN, se propuso la hipótesis de que el ARN desempeña un papel intermediario en la transmisión de información genética a las proteínas.
En 1958, Weiss y Hurwitz et al. descubrieron la ARN polimerasa dependiente de ADN; en 1961, Hall y Spiege-lman utilizaron la hibridación ARN-ADN para demostrar que las secuencias de ARNm y ADN son complementarias y gradualmente aclararon la relación; Mecanismo de transcripción y síntesis de ARN.
Al mismo tiempo, se comprendió que las proteínas se sintetizan recibiendo la información genética del ARN.
A principios de la década de 1950, Zameik et al. descubrieron que los microsomas son el sitio de síntesis de proteínas intracelulares mediante experimentos de componentes morfológicos y subcelulares aislados; en 1957, Hoagland, Zameik y Stephenson et al. plantearon la hipótesis de su función en el transporte de aminoácidos en la síntesis de proteínas; en 1961, Brenner y Gross et al. observaron la unión del ARNm y los ribosomas durante la síntesis de proteínas; en 1965, Holley midió por primera vez el nivel primario de la estructura del ARNt de alanina; En la década de 1960, varios grupos de científicos como Nirenberg, Ochoa y Khorana trabajaron juntos para descifrar el código genético que codifica las proteínas sintéticas en el ARN. Estudios posteriores demostraron que este código genético es universal en el mundo biológico, comprendiendo así el proceso básico de traducción y síntesis de proteínas. .
Los importantes descubrimientos mencionados anteriormente establecieron simultáneamente el sistema teórico básico de la genética molecular basado en el dogma central.
En 1970, Temin y Baltimore descubrieron simultáneamente la transcriptasa inversa a partir de partículas del virus del tumor de pollo que utiliza el ARN como plantilla para sintetizar el ADN, complementando y mejorando aún más el dogma central de la transmisión de información genética.
Mayor comprensión de la estructura y función de las proteínas.
De 1956 a 1958, Anfinsen y White propusieron que la estructura tridimensional de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos basándose en experimentos de desnaturalización y renaturalización de proteínas enzimáticas.
En 1958, Ingram demostró que existe sólo un residuo de aminoácido de diferencia en la cadena peptídica de la subunidad entre la hemoglobina normal y la hemoglobina de pacientes con anemia falciforme hemolítica, lo que permitió comprender el impacto de La estructura primaria de la proteína sobre su función causó una profunda impresión.
Al mismo tiempo, también se han mejorado los métodos para la investigación de proteínas. En 1969, Weber comenzó a aplicar la electroforesis en gel de poliacrilamida-SDS para determinar el peso molecular de las proteínas, en la década de 1960, un lote de hemoglobina, ribonucleasa A; , etc. fueron analizados sucesivamente. La estructura primaria de las proteínas; en 1973, salió el instrumento automático de determinación de la secuencia de aminoácidos.
Científicos chinos sintetizaron artificialmente insulina bovina en 1965; en 1973, utilizaron análisis de difracción de líneas 1.8AX para determinar la estructura espacial de la insulina bovina, haciendo importantes contribuciones a la comprensión de la estructura de las proteínas.
(3) La etapa de desarrollo en profundidad de la comprensión inicial de la naturaleza de la vida y el comienzo de su transformación.
Después de la década de 1970, el surgimiento de la tecnología de ingeniería genética sirvió como un nuevo hito. , que marca el comienzo de la comprensión de la vida por parte de la humanidad. Ha comenzado una nueva era en la que podemos transformar fundamentalmente nuestras vidas y tomar la iniciativa para transformarlas.
Los principales logros durante este período incluyen:
1. El establecimiento y desarrollo de la tecnología del ADN recombinante
La acumulación de la teoría de la biología molecular y el desarrollo tecnológico han llevado a El surgimiento de la tecnología de ingeniería genética se vuelve inevitable.
La endonucleasa de restricción descubierta por R. Yuan y H. O. Smith entre 1967 y 1970 proporcionó una poderosa herramienta para la ingeniería genética; en 1972, Bery et al. la recombinación tuvo éxito y Escherichia coli se transformó, de modo que las proteínas. originalmente sintetizado en funciones eucariotas se puede sintetizar en bacterias, rompiendo los límites de las especies; en 1977, Boyer et al. recombinaron por primera vez el gen del péptido inhibidor de la liberación de la hormona del crecimiento sintético 14 en un plásmido y sintetizaron con éxito estos 14 péptidos en Escherichia coli. 1978, Itakura (Itakura) y otros expresaron con éxito el péptido 191 de la hormona del crecimiento humano en Escherichia coli; en 1979, la American Gene Technology Company transfirió de forma recombinante el gen sintético de la insulina humana a la síntesis de insulina humana en Escherichia coli.
Hasta ahora, nuestro país ha entrado en producción de una variedad de medicamentos y vacunas genéticamente modificados, como el interferón humano, la interleucina 2 humana, el factor colonial humano, la vacuna recombinante contra el virus de la hepatitis B humana y la vacuna genéticamente modificada contra la diarrea en animales jóvenes. , etc. O ensayos clínicos, hay cientos de medicamentos de ingeniería genética y otros productos de ingeniería genética en desarrollo en el mundo, que se han convertido en una dirección importante para el desarrollo de la industria agrícola y farmacéutica actual y harán nuevas contribuciones al desarrollo de la medicina. , industria y agricultura.
El éxito de los animales y plantas transgénicos y de las plantas sin genes es el resultado del desarrollo de la tecnología de ingeniería genética.
En 1982, Palmiter y otros introdujeron el gen clonado de la hormona del crecimiento en el núcleo de óvulos fertilizados de ratón y crearon una "rata gigante" varias veces más grande que el ratón original, lo que despertó el deseo de la gente de crear animales de alta calidad. Ganado. entusiasmo.
El Instituto de Biología Acuática de mi país ha transferido el gen de la hormona del crecimiento a huevos de peces fertilizados, y los peces transgénicos resultantes han acelerado significativamente el crecimiento y también se están desarrollando cerdos transgénicos.
Los animales transgénicos también se pueden utilizar para obtener proteínas importantes para el tratamiento de enfermedades humanas. La leche secretada por ovejas transgénicas a las que se les ha introducido el gen del factor IX de coagulación es rica en factor IX de coagulación y puede utilizarse eficazmente para tratar. hemofilia.
En términos de plantas genéticamente modificadas, en 1994 se lanzaron al mercado tomates genéticamente modificados que pueden permanecer frescos por más tiempo que los tomates comunes.
En 1996, el maíz y la soja genéticamente modificados se pusieron en producción comercial uno tras otro. Estados Unidos fue el primero en desarrollar algodón resistente a los insectos. Los científicos chinos transfirieron el gen inhibidor de la proteasa que descubrieron al algodón. para obtener cepas de algodón resistentes al gusano cogollero.
En 1996, 250.000 hectáreas de tierra en todo el mundo habían sido plantadas con plantas genéticamente modificadas.
El diagnóstico genético y la terapia génica son un aspecto importante del desarrollo de la ingeniería genética en el campo médico.
En 1991, Estados Unidos introdujo un gen ADA recombinante en una niña que padecía una enfermedad de inmunodeficiencia congénita (defecto hereditario del gen ADA de la adenosina desaminasa).
Ten éxito.
Mi país también trató con éxito a pacientes con hemofilia B en 1994 mediante la introducción del gen del factor IX de coagulación humano.
Existen cerca de cien tipos de kits que se utilizan para el diagnóstico genético en mi país.
El diagnóstico genético y la terapia génica están en desarrollo.
El rápido progreso de la ingeniería genética durante este período se benefició de la aparición continua de muchas nuevas tecnologías de biología molecular.
Incluyendo: La síntesis química de ácidos nucleicos ha evolucionado desde una síntesis manual hasta una síntesis totalmente automatizada.
De 1975 a 1977, Sanger, Maxam y Gilbert inventaron tres métodos rápidos para la determinación de la secuencia de ADN; en la década de 1990, la llegada de los secuenciadores de ácidos nucleicos totalmente automáticos, y en 1985, la cadena de polimerasa inventada por Mullis de Cetus; Empresa y otros La tecnología de amplificación de secuencias de ácidos nucleicos específicas de la PCR se utiliza ampliamente debido a su alta sensibilidad y especificidad, y ha desempeñado un papel importante en la promoción del desarrollo de la biología molecular.
2 Desarrollo de la investigación del genoma
En la actualidad, la biología molecular ha evolucionado desde el estudio de genes individuales hasta el estudio de la estructura y función de todo el genoma de los organismos.
En 1977, Sanger determinó la secuencia de los 5375 nucleótidos del ADN de ΦX174; en 1978, Fiers et al. determinaron la secuencia de los 5224 pares de bases del ADN de SV-40; La unión del fago λ tenía 48.502 bases. Se han detectado todas las secuencias correctas; en 196 también se han determinado una tras otra las secuencias completas de los genomas de algunos virus pequeños, incluidos el virus de la hepatitis B y el VIH. determinar la longitud completa de la secuencia del ADN genómico de E. coli 4 × 106 pares de bases.
Sin duda, determinar la secuencia completa de ácidos nucleicos del genoma de un organismo completo es de gran importancia para comprender la información vital y las funciones de este organismo.
En 1990 se puso en marcha el Proyecto Genoma Humano (Human Genome Project). Se trata del proyecto de investigación más grande del mundo en la historia de las ciencias de la vida. En 2005 se determinará todo el ADN del genoma humano. 3×109 pares de bases. Secuenciar y determinar la estructura primaria de aproximadamente 50.000 a 100.000 genes humanos, lo que permitirá a los humanos controlar mejor su propio destino.
3 El establecimiento y desarrollo de anticuerpos monoclonales y anticuerpos genéticamente modificados
Desde que Kohler y Milstein utilizaron por primera vez la tecnología de hibridoma de linfocitos B para preparar clones monoclonales en 1975, la gente ha utilizado esta tecnología de ingeniería celular. ha desarrollado una variedad de anticuerpos monoclonales, proporcionando medios eficaces para el diagnóstico y tratamiento de muchas enfermedades.
Con la aparición de la tecnología de anticuerpos genéticamente modificados después de la década de 1980, los anticuerpos de dominio único, anticuerpos de cadena sencilla, anticuerpos quiméricos, anticuerpos reconstruidos, anticuerpos bifuncionales, etc. han proporcionado la base para la aplicación generalizada y eficaz de anticuerpos monoclonales. Anticuerpos. Un futuro brillante.
4 Mecanismo de regulación de la expresión genética
La teoría del manipulador propuesta por primera vez por Jacob y Monod, los fundadores de la teoría básica de la genética molecular, abrió una ventana para que los humanos comprendieran la regulación de la expresión genética. En la década de 1960, cuando se estableció la teoría, la gente entendía principalmente algunas reglas de la regulación de la expresión genética en los procariotas. Sólo después de la década de 1970 se comprendió gradualmente la complejidad de la estructura y regulación del genoma eucariota.
En 1977, se descubrió por primera vez que las secuencias de genes que codifican proteínas en el virus SV40 del mono y en los adenovirus son discontinuas. Este tipo de región espaciadora (intrón) dentro del gen es ubicua en los genomas eucariotas. la puerta para comprender la estructura y regulación de los genomas eucariotas.
En 1981, Cech et al. descubrieron el autoempalme del ARNr de Tetrahymena, descubriendo así la ribozima.
En las décadas de 1980 y 1990, la gente se dio cuenta gradualmente de que el reconocimiento molecular y la interacción entre los elementos reguladores cis, los factores de transcripción y las proteínas participantes de los genes eucariotas son fundamentales para la regulación de la expresión génica.
5. La investigación sobre los mecanismos de transducción de señales celulares se ha convertido en un campo de nueva frontera.
La investigación sobre los mecanismos de transducción de señales celulares se remonta a la década de 1950.
Sutherland descubrió el ADNc en 1957 y propuso la teoría del segundo mensajero en 1965, lo que supuso el primer hito en la comprensión de la mediación de receptores y la transducción de señales celulares.
En 1977, Ross et al. utilizaron experimentos de recombinación para confirmar la existencia y función de la proteína G, vincularon las funciones de la proteína G y la adenilil ciclasa y profundizaron en la comprensión de las vías de transducción de señales acopladas a la proteína G. saber.
Después de mediados de los años 1970, el descubrimiento de los oncogenes y genes supresores de tumores, el descubrimiento de las proteínas tirosina quinasas y la investigación en profundidad sobre su estructura y función, la clonación de diversas bases proteicas receptoras y la elucidación de su estructura y función La exploración, etc., ha logrado grandes avances en la investigación de la transducción de señales celulares en los últimos 10 años.
En la actualidad, existe un conocimiento preliminar de algunas vías de transducción de señales en determinadas células, especialmente en el reconocimiento de antígenos por células inmunes activas y las vías de transmisión de señales de activación y el control de la proliferación celular tras su formación. algunos conceptos básicos, por supuesto que llevará mucho tiempo lograr el objetivo final.
Lo anterior presenta brevemente el proceso de desarrollo de la biología molecular. Se puede ver que ha sido el campo fronterizo de más rápido desarrollo en las ciencias de la vida en el último medio siglo, impulsando el desarrollo de todas las ciencias de la vida. .
La biología molecular todavía se está desarrollando rápidamente y constantemente surgen nuevos resultados y nuevas tecnologías. Esto también muestra que el desarrollo de la biología molecular está todavía en su infancia.
Las leyes básicas establecidas de la biología molecular han abierto perspectivas brillantes para que las personas comprendan la naturaleza de la vida. La historia de la biología molecular es aún corta y los datos acumulados no son suficientes. diversas formas de seres vivos en la Tierra. Hasta ahora, los humanos solo han entendido una parte muy pequeña y aún no han entendido muchas reglas básicas de la vida compuestas por ácidos nucleicos y proteínas. Incluso en 2005, hemos obtenido la secuencia completa del ADN del genoma humano 3 × 109 pb. Se ha determinado la estructura primaria de 50.000 a 100.000 genes humanos, pero es necesario comprender a fondo las funciones, la regulación, las relaciones entre genes y la coordinación. de estos productos genéticos, y para comprender el papel de más de 80 secuencias que no codifican proteínas, etc., todavía tienen que recorrer un largo camino de investigación.
Se puede decir que las perspectivas de desarrollo de la biología molecular son brillantes y brillantes, pero el camino seguirá siendo difícil y tortuoso.