Der Mensch drang tiefer in die Geheimnisse des Universums ein und versuchte, eine der Hauptfragen der alten Weisen zu beantworten: Was ist das Leben, was ist der Mensch selbst? Das Geheimnis der Geburt lebender Organismen interessierte Wissenschaftler nicht weniger als die Struktur der Sterne. Entdeckungen auf dem Gebiet der Biologie im 20. Jahrhundert führten die Menschheit zu neuen Grenzen und eröffneten wirklich fantastische Perspektiven. Die Molekularbiologie bleibt eine der vielversprechendsten Wissenschaften unserer Zeit.

Nachdem er die Theorie der Evolution lebender Organismen entwickelt hatte, konnte Darwin die Frage nicht beantworten, wie sich Veränderungen in der Struktur und Funktion lebender Organismen, die während dieser Evolution entstanden sind, in den Nachkommen festigen. Doch als sein Buch gerade vergriffen war, führte Gregor Mendel seine Experimente bereits in Tschechien durch. Seine Erkenntnisse legten den Grundstein für die Entwicklung der Wissenschaft der Vererbung – der Genetik, die dazu bestimmt war, die wichtigsten Geheimnisse des Universums zu erklären. Mithilfe des Erbsenmodells stellte Mendel zunächst die Existenz spezieller „Erbfaktoren“ (später „Gene“ genannt) fest, die von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden und so bestimmte Merkmale übertragen. Der Übertragungsmechanismus selbst war den Wissenschaftlern jedoch lange Zeit unbekannt.

Zur gleichen Zeit arbeitete in Deutschland der Zoologe August Weissmann, der die Meinung vertrat und bewies, dass die Übertragung elterlicher Eigenschaften auf die Nachkommen von der direkten Übertragung einer bestimmten materiellen Substanz durch die Eltern abhängt, die laut Weissmann enthalten war in Chromosomen – den Organellen der Zelle. Die wichtigste Forschung zur Entwicklung der Genetik wurde später von dem Amerikaner Thomas Morgan durchgeführt. Nachdem er zahlreiche Experimente an Drosophila-Fliegen durchgeführt hatte, kamen er und seine Mitarbeiter zu Schlussfolgerungen über die materiellen Grundlagen der Vererbung, die lineare Lokalisierung von Genen in Chromosomen, die Muster ihrer Mutationsvariabilität, den zytogenetischen Mechanismus ihrer erblichen Übertragung usw. , was es ermöglichte, die Grundprinzipien der chromosomalen Vererbungstheorie endgültig zu formalisieren.

1869 isolierte der Biochemiker Miescher aus Zellkernen eine bis dahin unbekannte Substanz mit den Eigenschaften einer schwachen Säure. Später fand der Chemiker Levin heraus, dass diese Säure das Kohlenhydrat Desoxyribose enthält, weshalb sie Desoxyribonukleinsäure (DNA) genannt wurde. Im Jahr 1920 identifizierte derselbe Levin vier stickstoffhaltige Basen in der DNA: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymidin (T). So bereits in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts. Wissenschaftler wussten, woraus DNA besteht. Diese Information wurde 1950 durch den Biochemiker Chargaf erheblich ergänzt, der entdeckte, dass in einem DNA-Molekül die Menge an A gleich der Menge an T und die Menge an G gleich der Menge an C ist.

Über die Rolle der DNA bei der Speicherung und Übertragung von Erbinformationen gab es jedoch lange Zeit nur Vermutungen. Im Jahr 1944 waren die Mikrobiologen Avery, McCarthy und McLeod die ersten, die mithilfe von DNA bestimmte Eigenschaften von einer Mikrobe auf eine andere übertragen konnten.

Und am 28. Februar 1953 berichteten zwei junge Wissenschaftler der Universität Cambridge, James Watson und Francis Crick, über ihre Entdeckung der Struktur des DNA-Moleküls. Sie fanden heraus, dass es sich bei diesem Molekül um eine Helix handelt, die aus zwei Ketten besteht. Jede Kette mit einer Phosphat-Zucker-Basis enthält stickstoffhaltige Basen. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen A und T einerseits und G und C andererseits bestimmen die Stabilität der Doppelhelixstruktur. Watson und Crick stellten fest, dass die Abfolge stickstoffhaltiger Basen in der Struktur doppelsträngiger DNA der „Code“ der genetischen Informationen ist, die übertragen werden, wenn das Molekül kopiert (dupliziert) wird. Wenn zwei DNA-Ketten getrennt werden, können neue Nukleotide an sie angehängt werden, und in der Nähe jeder der alten Ketten wird ein neues gebildet, das ihr genau entspricht (da die einzig mögliche Kombination der Nukleotide A - T, G - C) ist.

Die Arbeit von Watson und Crick mit dem Titel „The Molecular Structure of Nucleic Acids“ wurde am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. In derselben Ausgabe wurde ein Artikel der Londoner Wissenschaftler R. Franklin und M. Wilkins veröffentlicht, in dem die Ergebnisse einer Röntgenuntersuchung des DNA-Moleküls beschrieben wurden, die zeigte, dass es sich bei diesem Molekül tatsächlich um eine Doppelhelix handelt.

Die Entdeckung von Watson und Crick wurde fast auf der ganzen Welt anerkannt (nur die UdSSR kam zu spät, wo die Genetik dank der Bemühungen des Akademiemitglieds Lysenko besiegt wurde). Bereits 1961 stellten die amerikanischen Biologen Nirenberg und Ochoa fest, dass einzelne Abschnitte der DNA ganz bestimmte Proteinstrukturen kodieren, also die Struktur bestimmen („drei benachbarte Nukleotide kodieren für eine bestimmte Aminosäure“). Diese Wissenschaftler identifizierten die Codons, die jeder der 20 Aminosäuren entsprechen.

Natürlich lieferte die Entdeckung von Watson und Crick nur eine Grundlage für die spätere Forschung, aber ohne diese Grundlage hätte sich die Genetik wahrscheinlich nicht weiterentwickeln können. 1962 erhielten beide Wissenschaftler den Nobelpreis.

In der ersten Hälfte der 1970er Jahre wurden erstmals hybride DNA-Moleküle („DNA-DNA“) gewonnen, die in Zellen unterschiedlicher Herkunft eindringen und die Synthese von für diese Zellen ungewöhnlichen Proteinen anregen konnten. Dies war die Geburtsstunde einer neuen Disziplin – der Gentechnik, die aufgrund ihres potenziellen Einsatzes zur Herstellung biologischer Waffen sofort unter staatliche Kontrolle gestellt wurde. 1977 wurde die erste Version einer „maschinellen“ Methode zur Bestimmung von Nukleotidsequenzen in einem DNA-Molekül entwickelt, die die Zahl der unbedeckten („gelesenen“) Genomregionen und ganzen Gene stark erhöhte. 1982 wurde das erste therapeutische Mittel einer neuen Generation erhalten – gentechnisch verändertes Insulin. Es wird von Bakterienzellen produziert, in die DNA injiziert wird, die die Struktur des Insulinproteins kodiert. 1983 wurde eine Methode entwickelt, um die Anzahl der DNA-Moleküle mithilfe des Polymerase-Enzyms zu erhöhen, und 1985 wurde eine Methode zum individuellen molekularen „Fingerabdruck“ (d. h. eine Art „Fingerabdruck“) jeder ursprünglichen DNA-Probe entwickelt. Dadurch war es möglich, verschiedene DNA-Proben miteinander zu vergleichen, um deren Identität oder umgekehrt Unähnlichkeit festzustellen. Diese Methoden wurden sofort in der forensischen Medizin eingesetzt, um biologische „Spuren eines Verbrechens“ zu identifizieren und die Vaterschaft festzustellen. Neue gentechnische Technologien zur Herstellung bestimmter Lebensmittelprodukte sind auf dem Vormarsch. Im Jahr 2000 wurde das menschliche Genom fast vollständig entschlüsselt. Die Wissenschaft ist der Möglichkeit nahe gekommen, den Phänotyp, die Fähigkeiten und die Pathologien eines Menschen, der kurz vor der Geburt steht, im Voraus zu bestimmen. Und „kranke Gene“ nicht nur identifizieren, sondern auch korrigieren, durch „gesunde“ ersetzen.

Aus der Geschichte der Entdeckung der Struktur der DNA

Im Jahr 1910 wurde klar, dass Gene auf Chromosomen liegen. Es war jedoch nicht klar, aus welchem ​​Material die Gene bestanden – Protein oder Nukleinsäure.

Im Jahr 1928 begann F. Griffith in Experimenten an Pneumokokken, die Rolle von Nukleinsäuren im Zellleben zu untersuchen.

Es gibt zwei Arten von Pneumokokken. In einem Fall ist ein Paar Bakterienzellen von einer Kapsel umgeben. Der zweite Zelltyp ist ohne Kapsel. Die Kapsel schützt Mikroben vor Phagozytose. Wenn man diese Mäusen injiziert, sterben sie. Pneumokokken ohne Kapsel infizieren Mäuse nicht und verursachen keine Lungenentzündung.

Erfahrung. Mäuse wurden mit einer Mischung aus lebenden Pneumokokkenzellen ohne Kapseln und toten Pneumokokken mit Kapseln infiziert.

Von den Mäusen wurde erwartet, dass sie gesund bleiben. Aber sie starben an einer Lungenentzündung. Aus Mäusen isolierte lebende Bakterien hatten Kapseln. Dies ist das Phänomen der Zelltransformation.

Erfahrung. Mikrobiologen haben vermutet, dass einige Substanzen aus toten Pneumokokken dazu führen können, dass lebende Zellen Kapseln bilden. Das zeigten sie in Experimenten.

Wir haben Pneumokokken mit Kapseln abgetötet, gemahlen und aus diesen zerstörten Zellen eine Lösung hergestellt – das ist ein Extrakt. Dem Kulturmedium wurde ein Extrakt aus abgestorbenen Zellen mit Kapseln zugesetzt, anschließend wurden diesem Medium lebende Pneumokokken ohne Kapseln zugesetzt.

Ergebnis: Einige der Zellen ohne Kapseln verwandelten sich in Zellen mit Kapseln; Ihre Nachkommen besaßen ebenfalls Kapseln und verursachten bei Verabreichung an Mäuse eine Lungenentzündung.

Es stellte sich heraus, dass sich Zellen ohne Kapseln veränderten – sie bekamen Kapseln und verursachten eine Lungenentzündung. Wichtig ist, dass auch ihre Nachkommen Kapseln bildeten und eine Lungenentzündung verursachten.

Schlussfolgerung: 1) die Anzeichen von Pneumokokken haben sich verändert, 2) dies liegt höchstwahrscheinlich daran, dass ein Bestandteil des Extrakts oder dieser Teil des Pneumokokkens geworden ist.

Die Experimente von F. Griffith wurden von amerikanischen Wissenschaftlern - Mikrobiologen - fortgesetzt

AUS. Avery (1877-1955) und seine Mitarbeiter.

Sie fragten sich: Welche Substanz bewirkt die Umwandlung eines Pneumokokkenstamms in einen anderen? Dazu wiederholten sie die Experimente von F. Griffith und verwendeten anstelle von Mikroben einen Extrakt daraus.

In Experimenten mit Pneumokokken behielt der Extrakt seine transformierende Aktivität bei, als darin Proteine ​​und RNA zerstört wurden, verlor sie jedoch, als DNA zerstört wurde.

Fazit: DNA ist die transformierende Substanz. Daher werden Gene aus DNA aufgebaut.

Die Transformation besteht aus der Übertragung von Genen toter Pneumokokken auf lebende und deren Einführung in das Wirtschromosom, d. h. in akapsuläre Pneumokokken.

Die Rolle der DNA in der Zelle wurde durch das Leben von Viren, die DNA enthalten, ergänzt. Sie infizieren Bakterienzellen, um in ihnen den Reproduktionszyklus durchzuführen.

Gleichzeitig wurde die Fähigkeit der Virus-DNA entdeckt, ihre Kopien und Proteine ​​zu synthetisieren.

Daraus folgt, dass die DNA das Leben der sie enthaltenden Zellen kontrolliert und in der Lage ist, Kopien ihrer Moleküle zu synthetisieren. Dieser Vorgang wird „Selbstduplikation“ oder Multiplikation genannt. DNA ist das einzige Molekül in der Natur, das kopiert werden kann.

Beitrag von acad. N.K. Koltsova

Im Jahr 1927 wurde unser Wissenschaftler - Akademiker. N.K. Koltsov (1872-1940) schrieb, dass „ein unglaublich langes Molekül in ein Chromosom passt, und entlang desselben gibt es separate Gruppen von Atomen – Gene.“

Er sagte auch zum ersten Mal, dass „bei der Zellteilung solche Moleküle nicht aus einzelnen Teilen neu entstehen, sondern zunächst komplette exakte Kopien ihrer selbst, und dann verteilen sich das ursprüngliche Molekül und die Kopie zusammen mit den Tochterchromosomen in neu gebildete Zellen.“ ” Dies ist das Matrixprinzip der Replikation von Genen und dann von Chromosomen, bevor sich die Zelle in zwei Teile teilt.

Wie sich die DNA vor der Zellteilung verdoppelt, ist Biologen seit Jahrzehnten ein Rätsel. Wissenschaftler vermuteten, dass es zum Verständnis notwendig war, Folgendes zu kennen: 1) die Struktur der DNA und 2) die Art und Weise, wie Nukleotide im Molekül angeordnet sind.

Im Jahr 1950 war bekannt, dass DNA ein Molekül ist, das aus Tausenden von vier verschiedenen Arten von Molekülen besteht, die in einer Linie miteinander verbunden sind – Nukleotide.

E. Chargaff (1950) zeigte, dass in jeder DNA die Menge an Adenin gleich der Menge an Thymin (A=T) und die Menge an Guanin gleich der Menge an Cytosin (G=C) ist. Dies deutete darauf hin, dass sie im DNA-Molekül paarweise vorkommen: A-T; G-C.

R. Fracklin (1920-1958) erlangte im Labor von M. Wilkins mithilfe der Röntgenkristallographie „das heute berühmte Bild der DNA-Struktur“.

Aus diesem Wissen war jedoch nicht klar: Wie funktioniert dieses Molekül oder wie sieht es aus? Niemand wusste, wie chemische Einheiten – A, T, G, C – angeordnet sind, um Informationen über den Aufbau und die Fortpflanzung von Lebewesen zu enthalten.

DNA-Molekülmodell

D. Watson und F. Crick begannen wie L. Pauling mit der Erstellung eines Modells des DNA-Moleküls, um die räumliche Struktur des Proteins zu untersuchen. Es würde helfen, die Details der Struktur und möglichen Funktionen der DNA zu verstehen.

Nach der Durchführung der Berechnungen verbrachten sie 18 Monate damit, ein Modell zu erstellen und ein DNA-Modell zu erstellen. Sie waren sich jedoch über die Richtigkeit dieses Modells nicht sicher.

Der Leiter von R. Franklin - M. Wilkins erlaubte D. Watson, sich mit dem Röntgenbild des DNA-Moleküls vertraut zu machen, ohne R. Franklin etwas darüber zu erzählen. Als D. Watson das von R. Franklin erhaltene Bild sah, wurde ihm klar: „Er und F. Crick haben sich nicht geirrt.“ Auf diesem Bild sahen sie deutlich Anzeichen einer Spirale und gingen direkt ins Labor, um „alles am dreidimensionalen Modell“ zu überprüfen.

Aufgrund des Mangels an Platten schnitt D. Watson vier Arten von Nukleotidmodellen aus Pappe aus: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) und begann, sie auf dem Tisch auszulegen.

Er entdeckte sofort, dass Adenin sich mit Thymin und Guanin mit Cytosin nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip verbindet und Paare bildet. Auf diese Weise werden die beiden Stränge eines DNA-Moleküls zusammengehalten.

Die Reihenfolge dieser Paare in einem Molekül kann unbegrenzt variieren. Dies dient als Chiffre oder Code, mit dessen Hilfe Informationen verschlüsselt werden, die die Art des von einer bestimmten Zelle synthetisierten Proteins bestimmen (Abb. 1).

Reis. 1.

Die Basen sind durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden.

Das DNA-Molekül hat zwei Funktionen: 1) Informationen an die Nachkommen weitergeben, d.h. Tochterzellen und 2) implementieren Informationen innerhalb der Zelle.

Aus der Struktur der Doppelhelix kann man sofort eine direkte Konsequenz erkennen – die Replikation, d.h. DNA-Reproduktion. Methode: Divergenz zweier Komplementärketten und Konstruktion einer neuen Komplementärkette für jede von ihnen. Aus einem DNA-Molekül entstehen also zwei, die für die Zellteilung in zwei benötigt werden. Fehler bei der Replikation, d.h. Mutationen sind der Grund für die Umwandlung einer normalen Zelle in eine defekte (Abb. 2 und 3).

Damit wurde das Template-Prinzip der DNA-Replikation vor der Teilung bewiesen

Vom großen Wissenschaftler und Akademiker vorhergesagte Zellen. N.K. Kolzow. Zwei Teile des Moleküls werden voneinander getrennt und aus jedem von ihnen wird eine neue Hälfte des Moleküls synthetisiert. Die Reihenfolge der Basen fungiert als Matrix oder Vorlage für die Vervollständigung von Molekülen.

DNA ist ein Speicher für genetische Informationen

Informationen über die Synthese jedes Proteintyps sind in Form einer bestimmten linearen Basensequenz in die DNA eingebettet.

1961 bewies F. Crick, dass jede Gruppe von drei Basen ein Codon bildet. Ein Codon kodiert für eine der 20 Hauptaminosäuren.

Um Informationen über die Struktur des Proteins aus dem Zellkern zu übertragen, gibt es mRNA. Es handelt sich um eine Kopie eines Fragments des DNA-kodierenden Matrizenstrangs. Es enthält Uracil anstelle von Thymin.

Basierend auf der mRNA im Ribosom wird mit Hilfe der Transfer-RNA ein Protein synthetisiert – das letzte Glied bei der Umsetzung der genetischen Information. Da die DNA als Speicher für genetische Informationen dient, wird sie als Molekül des Lebens bezeichnet.

Bevor D. Watson und F. Crick mit der Arbeit an der Struktur der DNA begannen, war bereits viel bekannt.

Im Jahr 1951 erhielt R. Franklin erstmals das erste einzigartige Röntgenfoto eines DNA-Moleküls, das zeigt, dass dieses Molekül die Form einer Doppelhelix hat, die einer Wendeltreppe sehr ähnlich ist. Ihre Fotografien spielten eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung von D. Watson und F. Crick. Als Zeichen dafür wird R. Franklin als „Pionier“ der Molekularbiologie bezeichnet.

Für die Entdeckung der Struktur der DNA und ihrer Funktionen wurden D. Watson, F. Crick und M. Wilkins 1962 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. R. Franklin lebte nicht. Sie starb 1958 an Krebs.

Revolution in der Welt der Wissenschaft

Die Entdeckung der räumlichen Struktur der DNA wurde zur Grundlage für eine Reihe neuer Entdeckungen.

In den 60er Jahren 20. Jahrhundert Der Mechanismus der DNA-Replikation wurde bestätigt und ein Enzym, die DNA-Polymerase, entdeckt, das diesen Prozess katalysiert.

Der genetische Code wurde entdeckt, d.h. der Code, mit dem Proteine ​​in einer Zelle synthetisiert werden.

In den 70ern 20. Jahrhundert Es wurden zwei weitere Methoden entwickelt: Sequenzierung und rekombinante DNA-Produktion.

Gewinnung rekombinanter DNA oder molekulares Klonierungsverfahren. Der Kern dieser Methode besteht darin, dass ein Fragment, das ein bestimmtes Gen enthält, in ein DNA-Molekül eingefügt wird.

Sie führen es beispielsweise in ein Bakterium ein und dieses synthetisiert sein Produkt – ein Protein, das für den Menschen notwendig ist.

In den 80ern 20. Jahrhundert Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wurde entwickelt. Diese Technologie ist für die schnelle „Reproduktion“ des gewünschten DNA-Fragments notwendig.

Mittels PCR ist es möglich, bakterielle und virale Infektionen sowie erste Krebszellen im Körper des Patienten anhand ihrer Markergene frühzeitig zu diagnostizieren.

Beispielsweise können Fragmente von Markergenen für Krebszellen im Blutplasma eines Patienten nachgewiesen werden. Liegt das Fragment in geringen Mengen vor oder ist es das einzige, wird es mittels PCR vermehrt und anschließend leicht identifiziert.

Die Entdeckung der DNA-Struktur hat es Wissenschaftlern ermöglicht, das Genom des Menschen und vieler anderer Organismen zu entschlüsseln. Diese Entdeckung ermöglichte den Übergang zur Gentherapie für jede Krankheit, einschließlich Krebs.

Die Krebszelle werde „vom Immunsystem des Patienten schlecht erkannt, weil es entsteht aus einer normalen Zelle des Wirtsorganismus.“

Um Krebszellen mittels Gentherapie zu zerstören, ist es daher zunächst notwendig, die Krebszellen dem Immunsystem „fremd“ zu machen.

Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun. Es ist möglich, Krebszellen aus Krebsbiopsiematerial zu isolieren, ein „fremdes“ Gen in sie einzuführen und diese Krebszellen dann wieder in den Körper des Patienten einzuführen. In diesem Fall erkennt das Immunsystem anhand des Proteins dieses Gens Krebszellen als „fremd“ und zerstört sie.

Im Tierversuch lieferte diese Methode zur Beeinflussung der DNA von Krebszellen ermutigende positive Ergebnisse. Doch für die Behandlung von Krebspatienten befindet sich eine ähnliche Methode noch in der klinischen Erprobung

(E.D. Swerdlow, 2003).

Auf dem Weg zur Ära der „lebenden Technologien“

Und ganz ungewöhnlich – der Beginn einer neuen Ära der „lebenden Technologien“. Wissenschaftler in einer Reihe von Ländern erklären, dass sie fast bereit sind, „künstliches Leben“ zu schaffen, d. h. Abiogenese.

Obwohl es keine einheitliche Definition von Wohnen gibt, zeichnet es sich durch drei Merkmale aus: 1) Vorhandensein eines Containers, d.h. Membran, die den Zellinhalt enthält;

2) Stoffwechsel – die Fähigkeit, Grundnährstoffe in Arbeitsmechanismen der Zelle umzuwandeln; 3) das Vorhandensein von Genen – chemischen Konstrukten, die für den Aufbau einer Zelle notwendig sind, die an die Nachkommen weitergegeben werden und sich zusammen mit Veränderungen in der Umwelt verändern können.

Jedes dieser drei Elemente wurde bereits in Labors reproduziert, und die Wissenschaftler sind bereit, mit dem Versuch zu beginnen, all dies „in einer Arbeitseinheit“ zu kombinieren, d. h. Zelle.

Im Erfolgsfall wird es „eine Welt ultrakleiner lebender Maschinen sein: Spezielle Zellen werden den menschlichen Körper heilen und Umweltschadstoffe bekämpfen.“

Wissenschaftler betrachten die unmittelbare Aufgabe der Wissenschaft in der Schaffung einer „künstlichen Zelle“, die in der Lage ist, sich selbst zu reproduzieren und einzigartige Chemikalien zu produzieren, darunter auch Medikamente, die noch nicht synthetisiert werden können.

Das „künstliche Leben“ wird vollständig unter der Kontrolle des Menschen stehen, indem er es beispielsweise mit Elementen „füttert“, die in der Natur nicht in reiner Form vorkommen.

Synthese von Viren und Beginn der Zellsynthese

1. Prof. E. Wimmer und seine Gruppe aus New York schufen 2002 zum ersten Mal seit der Geburt des „Lebens“ auf der Erde das Poliovirus aus unbelebter Materie.

Wissenschaftler argumentieren: Sind Viren Lebewesen oder unbelebte Objekte?

GEIST. Stanley, ein Nobelpreisträger, glaubt, dass „ein Virus sich in einer Zelle wie ein Lebewesen verhält, aber außerhalb einer Zelle tot ist wie ein Stein.“

G. Nadson, unser Mikrobiologe, sagt dazu: „Ein Virus ist entweder eine Substanz, die die Eigenschaften eines Lebewesens hat, oder ein Lebewesen mit den Eigenschaften einer Substanz.“

Akademiemitglied V.A. Engelhardt, unser Wissenschaftler, schrieb: „Viele Viren bestehen nur aus Protein und Nukleinsäure. Sie können als chemische Verbindungen – Nukleoproteine ​​– klassifiziert werden.“

Das Genom des Poliovirus ist vollständig entschlüsselt. Auf dieser Grundlage stellten die Wissenschaftler die exakte Nukleotidsequenz zusammen, die der natürlichen Probe entsprach.

Dieses genetische Material wurde in eine zytoplasmaähnliche Lösung gegeben. Darin wurden den in der DNA enthaltenen Informationen zufolge die notwendigen Proteine ​​synthetisiert.

Prof. E. Wimmer berichtet, dass sich das Virus sofort „selbst zusammensetzte“, sobald alle genetischen Komponenten in ein Reagenzglas gegeben wurden. Mit anderen Worten,

„Das Leben, oder zumindest sein Anschein, begann mitten in der Umdrehung.“

Das erzeugte Virus sah genauso aus wie seine natürliche Probe. Um die Aktivität des Virus nachzuweisen, infizierten Wissenschaftler Mäuse damit. Die Tiere starben mit klassischen Polio-Symptomen.

Für die Assemblierung des Genoms des Poliovirus hat Prof. E. Wimmer brauchte drei Jahre.

Im selben Labor synthetisierte J. Craig Venter das Virus innerhalb von 14 Tagen.

2. Synthese des künstlichen Virus phi-X174. Dies ist ein Bakteriophage, der in der Natur vorkommt und für Mensch und Tier sicher ist.

K. Venter und sein Team nahmen mehrere DNA-Abschnitte und kombinierten sie, wodurch ein vollständiges Virusgenom mit elf Genen entstand. Diese Mischung wurde in ein Reagenzglas gegeben, wo sie sich unabhängig voneinander zu einer genetischen Kette zusammenfügte, die mit dem Phi-X174-Genom identisch war. Das zusammengesetzte Genom wurde dann in eine lebende Zelle implantiert, die begann, Kopien des Virus zu produzieren.

3. Amerikanische Wissenschaftler werden eine in der Natur unbekannte Lebensform erschaffen. Wissenschaftler des Rockville-Labors gaben am 21. November 2002 ihre Absicht bekannt, mithilfe der Gentechnik eine neue Lebensform zu schaffen.

Ziel des Projekts ist es, die grundlegenden Mechanismen der Entstehung und Entwicklung organischen Lebens zu untersuchen. Die Hauptteilnehmer waren der Genetiker K. Venter und der Nobelpreisträger H. Smith.

Ziel des Experiments ist die Schaffung einer Zelle, die die Grundlage für die Bildung eines Organismus mit einem Minimum an Genen zur Lebenserhaltung bildet.

Wenn das Experiment erfolgreich ist, wird die gewachsene Zelle wachsen und sich teilen, wodurch eine vollständige Zellstruktur entsteht, die in der Natur nicht existiert. Dies wird ein „minimalistischer“ Organismus sein.

Ende der 1990er Jahre des 20. Jahrhunderts. K. Venter, damals Leiter des Instituts für Genomforschung in Rockville (USA), veröffentlichte eine Liste von Genen, die für die Existenz eines einzelligen Organismus – Mykoplasmen – notwendig sind. Nach seinen Berechnungen kommt dieser Bewohner des menschlichen Genitaltrakts mit 300 von 517 Genen aus, die in dieser Mikrobe ein Chromosom bilden.

Das dreijährige Projekt basiert auf demselben Bakterium. Wissenschaftler beabsichtigen, das gesamte genetische Material aus seiner Zelle zu extrahieren und dann aus seinen „Stücken“ eine künstliche Genkette zusammenzusetzen, d. h. Chromosom. Es werden nur diejenigen Bakteriengene einbezogen, die „absolut notwendig“ sind, um das Leben des neuen Organismus aufrechtzuerhalten. Im letzten Schritt wird die zusammengesetzte Genkette in eine Zelle ohne genetisches Material eingebaut.

Dann „sollte das Interessanteste passieren, wofür das Experiment konzipiert war“ – die Wiederbelebung des Bakteriums. Als nächstes folgt die Beobachtung eines solchen halbnatürlichen Organismus: wie er lebt und sich fortpflanzt.

„Uns interessiert, ob es möglich ist, zu einer molekularen Definition des Lebens zu gelangen, und unser Hauptziel ist ein grundlegendes Verständnis der Bestandteile der elementarsten lebenden Zelle.“

Um die Entstehung eines Krankheitserregers zu vermeiden, werden K. Venter und H. Smith dem neuen „Mykoplasma“ die Gene entziehen, die für seine Bindung an Zellen im menschlichen Körper verantwortlich sind, und dann diejenigen Gene, die es ihm ermöglichen, unter ungünstigen Bedingungen zu überleben. Das Ergebnis werde „ein ziemlich zerbrechliches Geschöpf sein, das absolut von seinen Schöpfern abhängig ist“.

Ziel der Forschung ist es auch zu lernen, wie man verschiedene Gene künstlich erzeugen kann. „Das ist wirklich Grundlagenwissenschaft“, sagt K. Venter. - Sogar

Obwohl wir alle Gene im menschlichen Genom entdeckt haben, konnten wir das Geheimnis der einfachsten Zelle noch immer nicht ergründen. Das wollen wir jetzt tun.“

K. Venter und H. Smith und ihre Gruppen haben eine weitere Möglichkeit, eine lebende Zelle zu erschaffen: diese Grundgene im Labor künstlich zu synthetisieren, sie in einer Kette zu sammeln und sie dann in dasselbe Bakterium einzuführen, aus dem alle Gene stammen Material wird vorläufig gelöscht

Was stellt sich K. Venter seiner Aufgabe – eine „molekulare Definition des Lebens“ zu geben?

Jede Zelle ist wie der Körper als Ganzes aus Molekülen aufgebaut. Ihre Struktur und Zusammensetzung sowie ihre Wechselwirkungen sind in den Genen verankert. Im Laufe der Evolution wird jedes Molekül auf seine Funktion in der Zelle zugeschnitten. Eine Zelle ist keine chaotische Ansammlung von Molekülen, sondern „ihre Ordnung“, d. h. Organisation, da sie von Genen durch Produkte – Proteine ​​– aufgebaut wird. Wenn Sie es zerstören, bleiben diese Zellmoleküle zwar in Form einer Mischung, aber es ist bereits tot, da die molekulare Organisation der Zelle zerstört ist. Und es entstand im Prozess der Evolution „lebender Dinge“.

Daher: K. Venter strebt danach, mit einem Minimum an Genen eine solche Organisation nicht lebender Moleküle zu erreichen, die sich in „lebende“ verwandeln. Das wird Abiogenese sein.

Großbritannien

Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist eine von zwei Arten von Nukleinsäuren, die die Speicherung, Übertragung von Generation zu Generation und die Umsetzung des genetischen Programms für die Entwicklung und Funktion lebender Organismen gewährleisten.

Die Hauptaufgabe der DNA in Zellen ist die langfristige Speicherung von Informationen über die Struktur von RNA und Proteinen. Die Entschlüsselung der DNA-Struktur (1953) war einer der Wendepunkte in der Geschichte der Biologie.

In der wissenschaftlichen Literatur, die sich mit der Erforschung der DNA befasst, findet man am häufigsten die Namen J. Watson und Francis Crick als Wissenschaftler, die 1953 ein Modell der Struktur des DNA-Moleküls erstellt haben. Allerdings wurde das Molekül selbst viel früher entdeckt und nicht von diesen Wissenschaftlern. Der Name des Entdeckers wird nicht in jedem Lehrbuch, Nachschlagewerk oder jeder Enzyklopädie erwähnt.

Die bahnbrechende Entdeckung der Desoxyribonukleinsäure wird dem jungen Schweizer Arzt Johann Friedrich Miescher zugeschrieben. Während seiner Arbeit in Deutschland untersuchte er 1869 die chemische Zusammensetzung tierischer Zellen. Als Forschungsgegenstand wählte er Leukozytenzellen. Der Wissenschaftler isolierte Leukozyten aus eitrigem Material, weil Im Eiter befinden sich viele dieser weißen Blutkörperchen, die im Körper eine Schutzfunktion erfüllen und Mikroben zerstören. Das örtliche chirurgische Krankenhaus versorgte ihn mit Verbänden, die aus frischen eitrigen Wunden entnommen wurden. Miescher wusch Leukozyten aus Verbandsgewebe und isolierte dann Proteinmoleküle aus den gewaschenen Zellen. Im Zuge der Forschung konnte er feststellen, dass Leukozyten neben Proteinen noch eine andere unerforschte Substanz enthalten. Bei der Entstehung eines sauren Milieus wurde es in Form eines Sediments mit fadenförmiger oder flockiger Struktur freigesetzt. Als die Lösung alkalisch gemacht wurde, löste sich der Niederschlag auf. Miescher untersuchte ein Leukozytenpräparat unter dem Mikroskop und entdeckte, dass beim Waschen von Leukozyten mit verdünnter Salzsäure nur Kerne zurückbleiben. Auf dieser Grundlage kam er zu dem Schluss, dass die Zellkerne eine unbekannte Substanz enthielten, und nannte sie Nuclein, abgeleitet vom lateinischen Wort nucleus, was „Kern“ bedeutet.

Bei näherer Betrachtung entwickelte Miescher ein komplettes System zur Isolierung und Reinigung von Nukleinen. Er unterzog die isolierte Verbindung einer Behandlung mit Ether und anderen organischen Lösungsmitteln und war überzeugt, dass es sich nicht um eine Fettverbindung handelte, da sie sich in diesen Substanzen nicht löste. Sie hatten keine Nukleinsäure- oder Proteinnatur, weil Bei der Behandlung mit Enzymen, die Proteine ​​abbauen, zeigten sie keine Veränderungen.

Die chemische Analyse war damals unvollständig, ungenau und arbeitsintensiv. Langsam aber sicher führte der Wissenschaftler es durch und stellte fest, dass Nuklein aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor besteht. Organophosphorverbindungen waren zu diesem Zeitpunkt noch praktisch unbekannt, weshalb Miescher zu dem Schluss kam, dass er eine der Wissenschaft unbekannte Klasse von Verbindungen entdeckt hatte, die in der Zelle enthalten waren.

Er wollte einen Artikel über seine neue Entdeckung in der Zeitschrift Medico-Chemical Research veröffentlichen, die von seinem Lehrer, einem der Begründer der Biochemie, Felix Hoppe-Seyler, herausgegeben wurde. Doch bevor er das Material druckte, beschloss er, die Daten in seinem Labor zu überprüfen. Diese Forschung dauerte ein ganzes Jahr, und erst 1871 wurde Mieschers Arbeit in einer der Ausgaben der Zeitschrift veröffentlicht. Dem waren zwei Artikel von Hoppe-Seyler selbst und seinem Mitarbeiter beigefügt, in denen Daten über die Zusammensetzung und Eigenschaften von Nucleinen bestätigt wurden.

Nach seiner Rückkehr in die Schweiz nahm Miescher das Angebot an, eine Stelle als Leiter der Abteilung für Physiologie an der Universität Basel zu übernehmen. Dort setzte er seine Forschungen fort. Am neuen Ort verwendete der Wissenschaftler ein angenehmeres und nicht weniger nukleinsäurereiches Material für Experimente – Lachsmilch (sie werden immer noch für die gleichen Zwecke verwendet). An den Ufern des lachsreichen Rheins, der durch Basel fließt, mangelte es ihm nicht an Forschungsmaterial.

Im Jahr 1874 veröffentlichte Miescher einen Artikel, in dem er argumentierte, dass die von ihm in der Milch von Lachsfischen entdeckten Nucleine eindeutig mit dem Befruchtungsprozess zusammenhängen. Er brachte sie jedoch in keiner Weise mit der Vererbung in Verbindung. Der Wissenschaftler fand die von ihm entdeckte Verbindung so einfach und einheitlich, dass er sich nicht vorstellen konnte, dass darin die gesamte Vielfalt der Erbmerkmale lebender Organismen gespeichert sein könnte. Die damals existierenden Methoden der biochemischen Analyse ermöglichten es noch nicht, signifikante Unterschiede zwischen menschlichen Nucleinen und Lachs-Nucleinen nachzuweisen, geschweige denn, eine so komplexe Struktur zu erkennen, die noch immer nicht vollständig verstanden ist.

Im Jahr 1952 entdeckte die englische Biophysikerin Rosalind Franklin, dass Desoxyribonukleinsäure (DNA) in ihrer Struktur einer Wendeltreppe ähnelt. Der Ruhm dieser Entdeckung, die den Grundstein für die moderne Genforschung legte, wurde jedoch später von Maurice I. Wilkins sowie Francis Crick und James Watson angeeignet.

Das Gerät der Vererbung I Rosalind Franklin ging von der Annahme aus, dass DNA, ein riesiges Polymermolekül aus Nukleotiden, aus sich wiederholenden Blöcken bestehen sollte. Um diese Hypothese zu testen, konnte der englische Forscher nicht einfach auf ein Mikroskop zurückgreifen. Solche submikroskopischen Phänomene können nur durch Röntgenbeugung nachgewiesen werden. Deshalb setzte der Forscher DNA-Moleküle einer Röntgenbestrahlung aus und stellte in langer, sorgfältiger Arbeit fest, dass es sich bei ihnen um eine Doppelhelix handelt. Damit war es erstmals möglich, sich die Struktur des Hauptbestandteils des menschlichen Lebens vorzustellen.

Eine Entdeckung, die im Schatten blieb

Franklin veröffentlichte die Ergebnisse ihrer Studie nicht sofort. Sie wollte zunächst eine Bestätigung ihrer Beobachtungen von ihren Kollegen erhalten. 1953 gab Maurice Wilkins, Franklins Vorgesetzter, die ihm vorgelegten Ergebnisse ohne ihr Wissen an seinen Mitarbeiter Crick und den Biochemiker Watson weiter. Diese Wissenschaftler kannten bereits die chemische Zusammensetzung der DNA: Zucker, Desoxyribose, Phosphat und die stickstoffhaltigen Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, und sie erkannten sofort die Bedeutung von Franklins Daten.

Der Nobelpreis wird nicht posthum verliehen

Nachdem Crick und Watson einige Ergänzungen und Änderungen am Werk vorgenommen hatten, veröffentlichten sie es unter ihrem eigenen Namen. Der berühmte Artikel „Molecular Structure of Nucleic Cysts: The Structure of Desoxyribonucleic Acid“, der 1954 in der Zeitschrift Nature erschien, löste in der wissenschaftlichen Welt große Begeisterung aus. Watson und Crick erstellten ein logisch unverwundbares Modell, das die Grundlage für weitere Forschungen bildete. Unterdessen starb Rosalind Franklin 1958 im Alter von 37 Jahren an Krebs. Der Nobelpreis für Medizin für die Entdeckung der Struktur der DNA wurde 1962 an Crick, Watson und Wilkins verliehen.

• 1865: Gregor Johann Medel legt die Vererbungsgesetze genetischer Prinzipien fest.
• 1970: Hamilton O. Smith und Daniel Nathan legen den Grundstein für die Gentechnik.
• 1973: In den USA wird erstmals ein gentechnisch verändertes Bakterium geschaffen.
• 1976: Der indische Biophysiker Har Gobind Korana synthetisierte das Gen erstmals vollständig.

MOSKAU, 25. April – RIA Nowosti, Tatjana Pichugina. Vor genau 65 Jahren veröffentlichten die britischen Wissenschaftler James Watson und Francis Crick einen Artikel über die Entschlüsselung der DNA-Struktur und legten damit den Grundstein für eine neue Wissenschaft – die Molekularbiologie. Diese Entdeckung hat im Leben der Menschheit viel verändert. RIA Novosti spricht über die Eigenschaften des DNA-Moleküls und warum es so wichtig ist.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts war die Biologie eine sehr junge Wissenschaft. Wissenschaftler begannen gerade erst, die Zelle zu untersuchen, und Ideen zur Vererbung fanden, obwohl sie bereits von Gregor Mendel formuliert wurden, keine breite Akzeptanz.

Im Frühjahr 1868 kam ein junger Schweizer Arzt, Friedrich Miescher, an die Universität Tübingen (Deutschland), um wissenschaftlich zu arbeiten. Er wollte herausfinden, aus welchen Stoffen eine Zelle besteht. Für die Experimente habe ich Leukozyten ausgewählt, die leicht aus Eiter gewonnen werden können.

Miescher trennte den Zellkern von Protoplasma, Proteinen und Fetten und entdeckte eine Verbindung mit einem hohen Phosphorgehalt. Er nannte dieses Molekül Nuclein („Kern“ auf Lateinisch – Kern).

Diese Verbindung zeigte saure Eigenschaften, weshalb der Begriff „Nukleinsäure“ entstand. Sein Präfix „Desoxyribo“ bedeutet, dass das Molekül H-Gruppen und Zucker enthält. Dann stellte sich heraus, dass es tatsächlich Salz war, aber sie änderten den Namen nicht.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wussten Wissenschaftler bereits, dass Nuklein ein Polymer ist (also ein sehr langes, flexibles Molekül aus sich wiederholenden Einheiten), dessen Einheiten aus vier stickstoffhaltigen Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin) und Nuklein bestehen ist in Chromosomen enthalten – kompakte Strukturen, die in sich teilenden Zellen vorkommen. Ihre Fähigkeit, erbliche Merkmale zu übertragen, wurde vom amerikanischen Genetiker Thomas Morgan in Experimenten an Fruchtfliegen nachgewiesen.

Das Modell, das die Gene erklärte

Doch was Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, im Zellkern bewirkt, ist lange Zeit nicht verstanden. Es wurde angenommen, dass es eine strukturelle Rolle in den Chromosomen spielt. Den Vererbungseinheiten – den Genen – wurde eine Proteinnatur zugeschrieben. Der Durchbruch gelang dem amerikanischen Forscher Oswald Avery, der experimentell bewies, dass genetisches Material über DNA von Bakterien auf Bakterien übertragen wird.

Es wurde klar, dass die DNA untersucht werden musste. Aber wie? Damals standen den Wissenschaftlern nur Röntgenstrahlen zur Verfügung. Um biologische Moleküle damit zum Leuchten zu bringen, mussten diese kristallisiert werden, was schwierig ist. Die Struktur von Proteinmolekülen wurde anhand von Röntgenbeugungsmustern im Cavendish Laboratory (Cambridge, Großbritannien) entschlüsselt. Die dort arbeitenden jungen Forscher James Watson und Francis Crick verfügten nicht über eigene experimentelle Daten zur DNA und nutzten daher die Röntgenaufnahmen der Kollegen vom King's College Maurice Wilkins und Rosalind Franklin.

Watson und Crick schlugen ein Modell der DNA-Struktur vor, das genau mit den Röntgenmustern übereinstimmte: zwei parallele Stränge, die zu einer rechtsdrehenden Helix verdreht waren. Jede Kette besteht aus einem zufälligen Satz stickstoffhaltiger Basen, die auf dem Grundgerüst ihrer Zucker und Phosphate aufgereiht sind, und wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen zusammengehalten. Darüber hinaus verbindet sich Adenin nur mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Diese Regel wird Komplementaritätsprinzip genannt.

Das Modell von Watson und Crick erklärte die vier Hauptfunktionen der DNA: die Replikation des genetischen Materials, seine Spezifität, die Speicherung von Informationen im Molekül und seine Fähigkeit zur Mutation.

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Entdeckung am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature. Zehn Jahre später erhielten sie zusammen mit Maurice Wilkins den Nobelpreis für Biologie (Rosalind Franklin starb 1958 im Alter von 37 Jahren an Krebs).

„Heute, mehr als ein halbes Jahrhundert später, können wir feststellen, dass die Entdeckung der DNA-Struktur in der Entwicklung der Biologie die gleiche Rolle spielte wie die Entdeckung des Atomkerns in der Physik Die Geburt einer neuen Quantenphysik und die Entdeckung der Struktur der DNA führten zur Geburt einer neuen Molekularbiologie“, schreibt Maxim Frank-Kamenetsky, ein herausragender Genetiker, DNA-Forscher und Autor des Buches „The Wichtigstes Molekül.“

Genetischer Code

Nun galt es herauszufinden, wie dieses Molekül funktioniert. Es war bekannt, dass die DNA Anweisungen für die Synthese zellulärer Proteine ​​enthält, die die gesamte Arbeit in der Zelle erledigen. Proteine ​​sind Polymere, die aus sich wiederholenden Sätzen (Sequenzen) von Aminosäuren bestehen. Darüber hinaus gibt es nur zwanzig Aminosäuren. Tierarten unterscheiden sich voneinander durch den Satz an Proteinen in ihren Zellen, also durch unterschiedliche Aminosäuresequenzen. Die Genetik behauptete, dass diese Sequenzen durch Gene bestimmt würden, von denen man damals annahm, dass sie als Bausteine ​​des Lebens dienten. Aber niemand wusste genau, was Gene waren.

Klarheit brachte der Autor der Urknalltheorie, der Physiker Georgiy Gamow, ein Mitarbeiter der George Washington University (USA). Basierend auf dem Modell einer doppelsträngigen DNA-Helix von Watson und Crick schlug er vor, dass ein Gen ein Abschnitt der DNA sei, also eine bestimmte Abfolge von Verknüpfungen – Nukleotide. Da jedes Nukleotid eine von vier stickstoffhaltigen Basen ist, müssen wir lediglich herausfinden, wie vier Elemente zwanzig kodieren. Das war die Idee des genetischen Codes.

Anfang der 1960er Jahre wurde festgestellt, dass Proteine ​​aus Aminosäuren in Ribosomen synthetisiert werden, einer Art „Fabrik“ innerhalb der Zelle. Um mit der Proteinsynthese zu beginnen, nähert sich ein Enzym der DNA, erkennt eine bestimmte Region am Anfang des Gens, synthetisiert eine Kopie des Gens in Form einer kleinen RNA (sie wird als Matrize bezeichnet) und dann wird das Protein im Ribosom gezüchtet Aminosäuren.

Sie fanden auch heraus, dass der genetische Code aus drei Buchstaben besteht. Das bedeutet, dass eine Aminosäure drei Nukleotiden entspricht. Die Codeeinheit wird Codon genannt. Im Ribosom werden Informationen aus der mRNA nacheinander Codon für Codon gelesen. Und jede von ihnen entspricht mehreren Aminosäuren. Wie sieht die Chiffre aus?

Diese Frage wurde von Marshall Nirenberg und Heinrich Mattei aus den USA beantwortet. 1961 stellten sie ihre Ergebnisse erstmals auf dem Biochemie-Kongress in Moskau vor. Bis 1967 war der genetische Code vollständig entschlüsselt. Es erwies sich als universell für alle Zellen aller Organismen, was weitreichende Konsequenzen für die Wissenschaft hatte.

Die Entdeckung der Struktur der DNA und des genetischen Codes veränderte die biologische Forschung völlig. Die Tatsache, dass jedes Individuum eine einzigartige DNA-Sequenz hat, hat die forensische Wissenschaft revolutioniert. Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms hat Anthropologen eine völlig neue Methode zur Untersuchung der Evolution unserer Spezies eröffnet. Der kürzlich erfundene DNA-Editor CRISPR-Cas hat die Gentechnik erheblich vorangebracht. Offenbar enthält dieses Molekül die Lösung für die drängendsten Probleme der Menschheit: Krebs, genetische Krankheiten, Alterung.