¿Cuál es la historia del desarrollo de la biología molecular?
(1) Etapa de preparación y elaboración de cerveza
Desde finales del siglo XIX hasta principios de la década de 1950, el siglo XIX fue la etapa de preparación y elaboración de cerveza para el nacimiento de la biología molecular moderna.
En esta etapa se produjeron dos avances importantes en la comprensión de la naturaleza de la vida.
Las proteínas son la principal base material de la vida.
A finales del año 19, los hermanos Buchner demostraron que el extracto libre de células de levadura podía fermentar el azúcar para producir alcohol, y propusieron por primera vez el nombre de la enzima. Las enzimas son catalizadores biológicos.
Algunas enzimas (incluidas la ureasa, pepsina, tripsina, isozimas, citocromo c, actina, etc.) fueron purificadas y cristalizadas entre los años 1920 y 1940, demostrando que la esencia de la enzima es la proteína.
Posteriormente se descubrió que muchos fenómenos básicos de la vida (metabolismo material, metabolismo energético, digestión, respiración, movimiento, etc.) están relacionados con enzimas y proteínas, y se pueden repetir experimentos in vitro utilizando enzimas purificadas. o proteínas.
Durante este período también se lograron grandes avances en la comprensión de la estructura de las proteínas.
1902 Emil Fisher demostró que la estructura de la proteína es un polipéptido; a finales de la década de 1940, Sanger creó el método DNFB y Edman desarrolló el método del isotiocianato de fenilo para analizar los aminoácidos N-terminales de la cadena peptídica. Sanger y Thompson completaron el análisis de la secuencia de aminoácidos de las primeras moléculas polipeptídicas, la cadena A de la insulina y la cadena B de la insulina, en 1953.
Debido al desarrollo de la tecnología de análisis de difracción de rayos X de cristales, Pauling y Corey propusieron el modelo de estructura helicoidal α de la queratina α en 1950.
Por lo tanto, en esta etapa se ha reconocido la estructura primaria y la estructura espacial de la proteína.
El material que determina la herencia biológica es el ADN.
Aunque los nucleidos fueron descubiertos por F. Miescher en 1868, no atrajeron la atención de la gente durante el medio siglo siguiente.
En las décadas de 1920 y 1930 se confirmó que en la naturaleza existen dos tipos de ácidos nucleicos, 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 eso, durante mucho tiempo se creyó que la estructura del ADN era sólo una repetición de la unidad "tetranucleótido", sin diversidad y incapaz de transportar más información. En aquella época se consideraba que las proteínas eran candidatas más probables para transportar información genética.
Los hechos experimentales desde la década de 1940 han logrado grandes avances en la comprensión de la gente sobre la función y la estructura de los ácidos nucleicos.
1944 O.T. Avery et al. demostraron que el factor de transformación neumocócica es el ADN; el análisis de difracción de rayos X de S. Furbery et al. en 1952 aclaró que los nucleótidos no son imágenes espaciales planas y propusieron que el ADN sí lo es. una estructura helicoidal; 1948-1953 Chargaff y otros utilizaron nuevas técnicas de cromatografía y electroforesis para analizar el número de bases y nucleótidos que componen el ADN, acumularon una gran cantidad de datos y propusieron la ley de Chargaff de que la composición de bases del ADN es A=T. , G=C, que sienta las bases para comprender la estructura de pares de bases del ADN.
(2) La etapa de establecimiento y desarrollo de la biología molecular moderna
Desde principios de los años 50 hasta principios de los 70, la doble hélice del ADN propuesta por Watson y Crick en 1953 se considera el modelado estructural. como un hito en el nacimiento de la biología molecular moderna, creando 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 que estableció las bases estructurales de los ácidos nucleicos como moléculas de información y señaló que el emparejamiento de bases es el método básico de replicación de los ácidos nucleicos y de la genética. transmisión de información. Así, finalmente se determinó que los ácidos nucleicos son la base material de la herencia, sentando 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:
Establecimiento de reglas básicas para la transmisión de información genética.
Cuando Watson y Crick descubrieron la estructura de doble hélice del ADN, propusieron un posible modelo para la replicación del ADN.
Luego, la ADN polimerasa fue descubierta por primera vez por A. Kornbery en 1956; el etiquetado de isótopos de Meselson y Stahl y los experimentos de ultracentrifugación en 1958 demostraron el modelo de semi-retención del ADN. En 1968, Okazaki propuso el modelo de replicación discontinua del ADN; en 1972, se confirmó que la replicación del ADN requiere ARN como cebador; a principios de la década de 1970 obtuvo la ADN topoisomerasa y analizó las características de la ADN polimerasa eucariota; Estos han mejorado gradualmente nuestra comprensión del mecanismo de replicación del ADN.
Al estudiar la transmisión de información genética desde la replicación del ADN a la descendencia, este artículo plantea la hipótesis de que el ARN desempeña un papel intermediario en el proceso de transmisión de información genética a las proteínas.
1958 Weiss y Hurwitz descubrieron la ARN polimerasa dependiente de ADN; en 1961, Hall y Spiegel-Mann utilizaron la heterocromía ARN-ADN para demostrar que las secuencias de ARNm y ADN son complementarias. Los mecanismos de transcripción y síntesis de ARN se aclaran gradualmente.
Ten en cuenta también que las proteínas se sintetizan recibiendo información genética del ARN.
A principios de la década de 1950, Zameik et al. descubrieron a través de la morfología y experimentos sobre el aislamiento de componentes subcelulares que los microsomas son el sitio de síntesis de proteínas intracelulares. En 1957, Hoogland, Zamek y Stephenson aislaron el ARNt y propusieron una hipótesis funcional para el transporte de aminoácidos en la síntesis de proteínas. En 1961, Brenner y Gross observaron la unión del ARNm y los ribosomas durante la síntesis de proteínas. En 1965, Holley determinó por primera vez la estructura primaria del ARNt de alanina de levadura; especialmente en la década de 1960, varios grupos de científicos como Nirenberg, Ochoa y Kolanna hicieron grandes esfuerzos para descifrar el código genético para la síntesis de proteínas. Investigaciones posteriores demostraron que este código genético es ubicuo en el mundo biológico, comprendiendo así los procesos básicos de traducción y síntesis de proteínas.
Los importantes descubrimientos anteriores establecieron el sistema teórico básico de la genética molecular basado en el dogma central.
En 1970, Temin y Baltimore también descubrieron la transcriptasa inversa que sintetiza ADN a partir de partículas de virus del tumor de pollo utilizando ARN como plantilla, complementando y mejorando aún más el dogma central de la transmisión de información genética.
Aprende más sobre la estructura y función de las proteínas.
En 1956-58, 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.
1958 Ingram demostró que hay sólo un residuo de aminoácido en la cadena peptídica de la subunidad entre la hemoglobina normal y la hemoglobina de pacientes con hemólisis falciforme, lo que impresionó profundamente a la gente sobre el impacto de la estructura primaria de las proteínas en la función. .
Al mismo tiempo, también se han mejorado los métodos de investigación de proteínas. En 1969, Weber comenzó a utilizar la electroforesis en gel de poliacrilamida-SDS para determinar el peso molecular de las proteínas. En la década de 1960 se analizaron sucesivamente las estructuras primarias de muchas proteínas, como la hemoglobina y la ribonucleasa A. En 1973, apareció el analizador automático de secuencia de aminoácidos.
Científicos chinos sintetizaron artificialmente insulina bovina en 1965; en 1973, determinaron la estructura espacial de la insulina bovina mediante análisis de difracción de rayos 1,8AX, haciendo importantes contribuciones a la comprensión de la estructura de la proteína.
(3) La comprensión inicial de la naturaleza de la vida y la etapa de desarrollo en profundidad de la transformación de la vida.
Después de la década de 1970, el surgimiento de la tecnología de ingeniería genética como un nuevo hito marcó el comienzo de una nueva era en la que los humanos pueden comprender la naturaleza de la vida y transformarla activamente.
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 de la tecnología han hecho ingeniería genética La aparición de la tecnología se ha vuelto inevitable.
La endonucleasa de restricción descubierta por R. Yuan y H. O. Smith en 1967-1970 proporcionó una poderosa herramienta para la ingeniería genética. En 1972, Bery et al. recombinaron con éxito el ADN viral de SV-40 y el ADN del bacteriófago P22 in vitro y transformaron E. coli, permitiendo que las proteínas originalmente sintetizadas en funciones eucariotas se sintetizaran en bacterias, rompiendo los límites de las especies en 1977, Boyer et al. fueron los primeros en El gen para sintetizar el péptido 14 de la somatostatina se recombinó en un plásmido y se sintetizó con éxito en Escherichia coli. 1978 Itakura (Itakura), etc. El péptido 191 de la hormona del crecimiento humano se expresó con éxito en Escherichia coli en 1979, la American Gene Technology Company recombinó el gen sintético de la insulina humana y lo transfirió a Escherichia coli para sintetizar insulina humana.
Hasta ahora, mi país ha invertido en una variedad de medicamentos y vacunas de ingeniería genética, como interferón, interleucina-2 humana, factor de colonia humana, vacuna recombinante contra el virus de la hepatitis B humana y vacuna contra la diarrea de terneros genéticamente modificada. Producción o ensayos clínicos, existen cientos de medicamentos de ingeniería genética y otros productos de ingeniería genética en el mundo, que se han convertido en una dirección importante para el desarrollo de la agricultura y la industria farmacéutica actuales y harán nuevas contribuciones al desarrollo de la medicina, la industria y la industria. agricultura.
El éxito de los animales y plantas transgénicos y de las plantas con genes knockout 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 un "ratón gigante" varias veces más grande que el ratón original, lo que inspiró a la gente a crear Pasión por la buena ganadería. .
El Instituto Chino de Hidrobiología ha transferido el gen de la hormona del crecimiento a huevos de peces fertilizados. El crecimiento de los peces transgénicos se ha acelerado significativamente y los individuos han aumentado de tamaño. También se están desarrollando cerdos genéticamente modificados.
Los animales transgénicos también pueden obtener proteínas importantes para el tratamiento de enfermedades humanas. La leche secretada por ovejas con el gen del factor de coagulación ⅸ es rica en factor de coagulación ⅸ y puede usarse eficazmente en el tratamiento de la hemofilia.
En cuanto a plantas genéticamente modificadas, se pusieron en el mercado 1.994 tomates genéticamente modificados que duran más que los tomates comunes.
Desde 65438 hasta 0996, el maíz y la soja genéticamente modificados se pusieron en producción comercial uno tras otro. El algodón resistente a los insectos se desarrolló por primera vez en los Estados Unidos. Los científicos chinos transfirieron sus propios genes inhibidores de proteasa al algodón para obtener plantas de algodón resistentes al gusano cogollero.
En 1996, se habían plantado plantas genéticamente modificadas en 250.000 hectáreas de tierra en todo el mundo.
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 el gen recombinante ADA en una niña con inmunodeficiencia congénita (deficiencia hereditaria del gen adenosina desaminasa ADA).
Sé exitoso.
China también trató con éxito a pacientes con hemofilia B mediante la introducción del gen del factor IX de coagulación humano en 1994.
Existen casi un centenar de tipos de kits que se utilizan para el diagnóstico genético en China.
El diagnóstico genético y la terapia génica se están desarrollando.
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 la síntesis artificial hasta la síntesis automática.
1975-1977 Sanger, Wujisheng Combine y Gilbert inventaron sucesivamente tres métodos para la determinación rápida de secuencias de ADN; en la década de 1990 apareció el analizador automático de secuencias de ácidos nucleicos, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) de Seth; La tecnología de amplificación de secuencias de ácidos nucleicos específicas inventada por Mullis se utiliza ampliamente debido a su alta sensibilidad y especificidad, lo que ha promovido en gran medida el 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.
En 1977, Sanger determinó la secuencia de los 5375 nucleótidos de φ. Se detectaron los 48.502 pares de bases de secuencias.
También se han determinado las secuencias completas de algunos virus pequeños, incluidos el virus de la hepatitis B y el VIH. A finales de 1966, varios científicos colaboraron y determinaron que la longitud completa de la secuencia del ADN genómico de E. coli era de 4 × 106 pares de bases.
Determinar la secuencia completa de ácidos nucleicos en el genoma de un organismo completo es sin duda de gran importancia para comprender la información vital y las funciones de este organismo.
El Proyecto Genoma Humano se implementó en 1990 y es el proyecto de investigación más grande del mundo en la historia de las ciencias de la vida. En 2005, se determinará la secuencia de 3×109 pares de bases de todo el ADN del genoma humano y se determinará la estructura primaria de aproximadamente 50-654,38 millones de genes humanos, lo que permitirá a los humanos controlar mejor su propio destino.
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 anticuerpos monoclonales en 1975, la gente ha utilizado esta tecnología de ingeniería celular. desarrolló una variedad de anticuerpos monoclonales, proporcionando medios eficaces para el diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades.
Desde la década de 1980, con el desarrollo de la tecnología de anticuerpos genéticamente modificados, los anticuerpos de dominio único, anticuerpos de cadena sencilla, anticuerpos quiméricos, anticuerpos recombinantes y anticuerpos bifuncionales han proporcionado la base para la aplicación amplia y eficaz de los anticuerpos monoclonales. Un futuro brillante.
4 Mecanismo de regulación de la expresión genética
La teoría del operón propuesta por primera vez por Jacobs y Monod, los fundadores de la teoría básica de la genética molecular, abrió una nueva ventana para que los humanos comprendieran la regulación de la expresión genética. ventana de expresión genética. En la década de 1960, cuando se estableció la teoría básica de la genética molecular, la gente comprendió principalmente algunas reglas de regulación de la expresión genética en los procariotas. Sólo después de la década de 1970 se dieron cuenta gradualmente de 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 y el adenovirus del mono son discontinuas. Este tipo de región espaciadora (intrón) dentro del gen es ubicua en los genomas eucariotas, lo que revela la A. preludio para comprender la estructura y regulación del genoma eucariota.
En 1981, Cech y otros descubrieron el autoempalme del ARNr de Tetrahymena, y así descubrieron la ribozima.
Desde los años 1980 hasta los años 1990, la gente se dio cuenta gradualmente de que el reconocimiento molecular y la interacción entre los elementos reguladores cis y los factores de transcripción de genes y proteínas eucariotas implicados en la regulación de la expresión génica son fundamentales.
El estudio de los mecanismos de transducción de señales de 5 células se ha convertido en un campo de nueva frontera.
El estudio de 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. Este fue el primer hito en la comprensión de la mediación de receptores y la transducción de señales celulares.
En 1977, Ross et al. confirmaron la existencia y función de la proteína G mediante experimentos de recombinación y conectaron las funciones de la proteína G y la adenilil ciclasa, profundizando la comprensión de la transducción de señales acopladas a la proteína G. vías conductoras.
Desde 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 diversos calendarios de proteínas receptoras y su exploración de estructura y función, la investigación sobre la transducción de señales celulares ha logrado grandes avances en los últimos 10 años.
En la actualidad, se han comprendido inicialmente algunas vías de transducción de señales en algunas células, especialmente se han formado algunos conceptos básicos en términos de reconocimiento de antígenos y vías de transmisión de señales de activación de células inmunes activas, y control de la proliferación celular. Por supuesto, llevará mucho tiempo alcanzar el objetivo final.
Lo anterior presenta brevemente la historia del desarrollo de la biología molecular. Se puede ver que es el campo fronterizo de las ciencias biológicas de más rápido crecimiento en medio siglo y promueve el desarrollo de todas las ciencias biológicas.
Hoy en día, la biología molecular todavía se está desarrollando rápidamente y constantemente surgen nuevos resultados y tecnologías, lo que también muestra que el desarrollo de la biología molecular está todavía en su infancia.
Las leyes básicas establecidas de la biología molecular han brindado brillantes perspectivas 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.
Por ejemplo, varias criaturas en la Tierra transportan una enorme información sobre la vida, de la cual los humanos solo conocen una pequeña parte hasta ahora, y muchas leyes básicas de la vida compuestas de ácidos nucleicos y proteínas aún son desconocidas. Otro ejemplo es que incluso en 2005; , hemos obtenido la secuencia completa del ADN genómico humano de 3×109 BP y hemos determinado la estructura primaria de 565.438 millones de genes. Aún nos queda un largo camino por recorrer para comprender completamente las funciones y funciones de estos productos genéticos. y comprender las funciones de más de 80 secuencias codificantes no proteicas.
Se puede decir que las perspectivas de desarrollo de la biología molecular son brillantes, pero el camino será difícil y tortuoso.