Menembus lebih dalam ke dalam rahasia alam semesta, manusia mencoba menjawab salah satu pertanyaan utama yang ditanyakan orang bijak kuno: apakah kehidupan itu, apakah manusia itu sendiri? Misteri kelahiran organisme hidup menarik perhatian para ilmuwan seperti halnya struktur bintang. Penemuan-penemuan di bidang biologi yang dilakukan pada abad ke-20 membawa umat manusia ke batas-batas baru dan menguraikan prospek yang benar-benar fantastis. Biologi molekuler tetap menjadi salah satu ilmu pengetahuan yang paling menjanjikan di zaman kita.

Setelah mengembangkan teori evolusi organisme hidup, Darwin tidak dapat menjawab pertanyaan tentang bagaimana perubahan struktur dan fungsi organisme hidup yang muncul dalam proses evolusi ini terkonsolidasi pada keturunannya. Namun ketika bukunya baru saja dicetak, Gregor Mendel sudah melakukan eksperimennya di Republik Ceko. Temuannya meletakkan dasar bagi perkembangan ilmu hereditas – genetika, yang ditakdirkan untuk menjelaskan misteri terpenting alam semesta. Dengan menggunakan model kacang polong, Mendel pertama kali menetapkan keberadaan “faktor keturunan” khusus (yang kemudian disebut “gen”) yang diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya, mentransfer sifat-sifat tertentu. Namun, untuk waktu yang lama mekanisme penularannya sendiri belum diketahui oleh para ilmuwan.

Pada saat yang sama, ahli zoologi August Weissmann bekerja di Jerman, yang menyatakan dan membuktikan kebenaran pendapat bahwa perpindahan sifat-sifat orang tua kepada keturunannya bergantung pada perpindahan langsung oleh orang tua dari suatu zat material tertentu, yang menurut Weissmann, terkandung di dalamnya. dalam kromosom - organel sel. Penelitian terpenting untuk pengembangan genetika kemudian dilakukan oleh Thomas Morgan dari Amerika. Setelah melakukan banyak percobaan pada lalat Drosophila, ia dan kolaboratornya sampai pada kesimpulan tentang dasar material hereditas, lokalisasi linier gen dalam kromosom, pola variabilitas mutasinya, mekanisme sitogenetik dari penularan herediternya, dll. , yang akhirnya memungkinkan untuk memformalkan prinsip-prinsip dasar teori hereditas kromosom.

Pada tahun 1869, ahli biokimia Miescher mengisolasi zat yang sampai sekarang tidak diketahui dengan sifat asam lemah dari inti sel. Belakangan, ahli kimia Levin menemukan bahwa asam ini mengandung karbohidrat deoksiribosa, itulah sebabnya disebut asam deoksiribonukleat (DNA). Pada tahun 1920, Levin yang sama mengidentifikasi empat basa nitrogen dalam DNA: adenin (A), guanin (G), sitosin (C) dan timidin (T). Jadi, sudah di tahun 20-an abad XX. para ilmuwan tahu terbuat dari apa DNA itu. Informasi ini dilengkapi secara signifikan pada tahun 1950 oleh ahli biokimia Chargaf, yang menemukan bahwa dalam molekul DNA jumlah A sama dengan jumlah T, dan jumlah G sama dengan jumlah C.

Namun, mengenai peran DNA dalam penyimpanan dan transmisi informasi keturunan, untuk waktu yang lama hanya ada dugaan saja. Pada tahun 1944, ahli mikrobiologi Avery, McCarthy dan McLeod adalah orang pertama yang mentransfer sifat tertentu dari satu mikroba ke mikroba lainnya menggunakan DNA.

Dan pada tanggal 28 Februari 1953, dua ilmuwan muda dari Universitas Cambridge, James Watson dan Francis Crick, melaporkan penemuan mereka tentang struktur molekul DNA. Mereka menemukan bahwa molekul ini berbentuk heliks yang terdiri dari dua rantai. Setiap rantai yang memiliki basa gula fosfat mengandung basa nitrogen. Ikatan hidrogen antara A dan T, di satu sisi, dan G dan C, di sisi lain, menentukan stabilitas struktur heliks ganda. Watson dan Crick menetapkan bahwa urutan basa nitrogen dalam struktur DNA beruntai ganda adalah “kode” informasi genetik yang ditransmisikan ketika molekul disalin (diduplikasi). Ketika dua rantai DNA dipisahkan, nukleotida baru dapat melekat padanya, dan yang baru terbentuk di dekat masing-masing rantai lama, yang persis sama dengannya (karena satu-satunya kemungkinan kombinasi nukleotida A - T, G - C).

Makalah Watson dan Crick, "The Molecular Structure of Nucleic Acids," diterbitkan pada tanggal 25 April 1953, di jurnal Nature. Dalam terbitan yang sama, sebuah artikel oleh ilmuwan London R. Franklin dan M. Wilkins diterbitkan, yang menjelaskan hasil studi sinar-X terhadap molekul DNA, yang menunjukkan bahwa molekul ini memang merupakan heliks ganda.

Penemuan Watson dan Crick diakui hampir di seluruh dunia (hanya Uni Soviet yang terlambat, di mana genetika dikalahkan berkat upaya Akademisi Lysenko). Sudah pada tahun 1961, ahli biologi Amerika Nirenberg dan Ochoa menetapkan bahwa masing-masing bagian kode DNA, yaitu, menentukan struktur struktur protein yang sangat spesifik (“tiga nukleotida yang berdekatan mengkode satu asam amino spesifik”). Para ilmuwan ini mengidentifikasi kodon yang berhubungan dengan masing-masing dari 20 asam amino.

Tentu saja, penemuan Watson dan Crick hanya memberikan dasar bagi penelitian selanjutnya, namun tanpa dasar ini, genetika mungkin tidak akan berkembang lebih jauh. Pada tahun 1962, kedua ilmuwan tersebut menerima Hadiah Nobel.

Pada paruh pertama tahun 1970-an, molekul DNA hibrid (“DNA-DNA”) pertama kali diperoleh, yang mampu menembus sel dari berbagai asal dan merangsang sintesis protein yang tidak biasa bagi sel-sel ini. Ini adalah kelahiran disiplin baru - rekayasa genetika, yang segera berada di bawah kendali pemerintah karena potensi penggunaannya untuk membuat senjata biologis. Pada tahun 1977, versi pertama dari metode “mesin” untuk menentukan urutan nukleotida dalam molekul DNA dikembangkan, yang secara tajam meningkatkan jumlah wilayah genom yang tidak tercakup (“baca”) dan seluruh gen. Pada tahun 1982, agen terapi pertama dari generasi baru diperoleh - insulin rekayasa genetika. Ini diproduksi oleh sel bakteri di mana DNA yang mengkode struktur protein insulin disuntikkan. Pada tahun 1983, sebuah metode dikembangkan untuk meningkatkan jumlah molekul DNA menggunakan enzim polimerase, dan pada tahun 1985, metode “sidik jari” molekul individu (yaitu, semacam “sidik jari”) dari setiap sampel DNA asli dikembangkan. Hal ini memungkinkan untuk membandingkan sampel DNA yang berbeda satu sama lain untuk menentukan identitasnya atau, sebaliknya, ketidaksamaannya. Metode-metode ini segera mulai digunakan dalam kedokteran forensik untuk mengidentifikasi “jejak kejahatan” biologis, serta untuk menentukan ayah. Teknologi rekayasa genetika baru untuk produksi produk pangan tertentu semakin berkembang. Pada tahun 2000, genom manusia hampir sepenuhnya diuraikan. Ilmu pengetahuan telah mendekati kemungkinan untuk menentukan terlebih dahulu fenotipe, kemampuan, dan patologi seseorang yang akan segera dilahirkan. Dan tidak hanya mengidentifikasi, tetapi juga mengoreksi, mengganti “gen yang sakit” dengan yang “sehat”.

Dari sejarah penemuan struktur DNA

Pada tahun 1910 menjadi jelas bahwa gen terletak pada kromosom. Namun tidak jelas gen terbuat dari apa—protein atau asam nukleat.

Pada tahun 1928, F. Griffith mulai mempelajari peran asam nukleat dalam kehidupan sel dalam percobaan pneumokokus.

Ada dua jenis pneumokokus. Dalam satu, sepasang sel bakteri dikelilingi oleh kapsul. Jenis sel kedua adalah tanpa kapsul. Kapsul melindungi mikroba dari fagositosis. Jika Anda menyuntikkannya ke tikus, mereka akan mati. Pneumococcus tanpa kapsul tidak menginfeksi tikus dan tidak menyebabkan pneumonia.

Pengalaman. Tikus diinfeksi dengan campuran sel pneumokokus hidup tanpa kapsul dan sel pneumokokus mati dengan kapsul.

Tikus-tikus tersebut diharapkan tetap sehat. Namun mereka meninggal karena pneumonia. Bakteri hidup yang diisolasi dari tikus memiliki kapsul. Ini adalah fenomena transformasi sel.

Pengalaman. Ahli mikrobiologi berpendapat bahwa beberapa zat dari pneumokokus yang mati dapat menyebabkan sel hidup membentuk kapsul. Mereka menunjukkan hal ini dalam eksperimen.

Kami membunuh pneumokokus dengan kapsul, menggilingnya dan menyiapkan larutan dari sel-sel yang hancur ini - ini adalah ekstraknya. Ekstrak sel mati dengan kapsul ditambahkan ke media kultur, kemudian pneumokokus hidup tanpa kapsul ditambahkan ke media ini.

Hasil: Beberapa sel tanpa kapsul diubah menjadi sel berkapsul; keturunan mereka juga memiliki kapsul dan, bila diberikan pada tikus, menyebabkan pneumonia.

Ternyata sel tanpa kapsul mengalami perubahan - mulai berbentuk kapsul dan menyebabkan pneumonia. Penting agar keturunan mereka juga membentuk kapsul dan menyebabkan pneumonia.

Kesimpulan: 1) tanda-tanda pneumokokus telah berubah, 2) kemungkinan besar disebabkan oleh beberapa komponen ekstrak atau telah menjadi bagian dari pneumokokus.

Eksperimen F. Griffith dilanjutkan oleh ilmuwan Amerika - ahli mikrobiologi

DARI. Avery (1877-1955) dan stafnya.

Mereka bertanya pada diri sendiri: zat apa yang menyebabkan transformasi satu jenis pneumokokus menjadi jenis pneumokokus lainnya? Untuk melakukan ini, mereka mengulangi percobaan F. Griffith, menggunakan ekstrak dari mikroba sebagai pengganti mikroba.

Dalam percobaan dengan pneumokokus, ekstrak mempertahankan aktivitas transformasinya ketika protein dan RNA dihancurkan di dalamnya, tetapi hilang ketika DNA dihancurkan.

Kesimpulan: DNA adalah zat yang mengubah. Oleh karena itu gen dibangun dari DNA.

Transformasi terdiri dari transfer gen dari pneumokokus mati ke pneumokokus hidup dan pengenalannya ke dalam kromosom inang, yaitu. menjadi pneumokokus akapsular.

Peran DNA dalam sel dilengkapi dengan kehidupan virus yang mengandung DNA. Mereka menginfeksi sel bakteri untuk melakukan siklus reproduksi di dalamnya.

Pada saat yang sama, kemampuan DNA virus untuk mensintesis salinan dan proteinnya ditemukan.

Dari semua ini dapat disimpulkan bahwa DNA mengontrol kehidupan sel-sel yang mengandungnya dan mampu mensintesis salinan molekul-molekulnya. Proses ini disebut “self-duplication” atau perkalian. DNA adalah satu-satunya molekul di alam yang dapat disalin.

Kontribusi acad. N.K. Koltsova

Pada tahun 1927, ilmuwan kami - akademisi. N.K. Koltsov (1872-1940) menulis bahwa “satu molekul yang sangat panjang cocok dengan satu kromosom, dan di sepanjang itu terdapat kelompok atom yang terpisah - gen.”

Ia juga mengatakan untuk pertama kalinya bahwa “ketika sel-sel membelah, molekul-molekul tersebut tidak diciptakan lagi dari bagian-bagian yang terpisah, melainkan pertama-tama melengkapi salinan persisnya, dan kemudian molekul asli dan salinannya menyebar bersama dengan kromosom anak ke dalam sel-sel yang baru terbentuk. ” Ini adalah prinsip matriks replikasi gen dan kemudian kromosom sebelum sel membelah menjadi dua.

Bagaimana DNA berlipat ganda sebelum pembelahan sel terjadi telah menjadi misteri bagi para ahli biologi selama beberapa dekade. Para ilmuwan menduga bahwa untuk memahami hal ini perlu diketahui: 1) struktur DNA dan 2) cara penyusunan nukleotida dalam molekul.

Pada tahun 1950, diketahui bahwa DNA merupakan molekul yang terdiri dari ribuan empat jenis molekul berbeda yang dihubungkan satu sama lain dalam suatu garis – nukleotida.

E. Chargaff (1950) menunjukkan bahwa dalam DNA apa pun jumlah adenin sama dengan jumlah timin (A=T), dan jumlah guanin sama dengan jumlah sitosin (G=C). Hal ini menunjukkan bahwa dalam molekul DNA mereka ditemukan berpasangan: A-T; G-C.

R. Fracklin (1920-1958) di laboratorium M. Wilkins, dengan menggunakan kristalografi sinar-X, memperoleh “gambar struktur DNA yang sekarang terkenal”.

Namun, dari pengetahuan ini tidak jelas: bagaimana cara kerja molekul ini atau seperti apa bentuknya? Tidak ada yang mengetahui bagaimana satuan kimia - A, T, G, C - disusun untuk membawa informasi tentang rencana struktur dan reproduksi makhluk hidup.

Model molekul DNA

D. Watson dan F. Crick mulai membuat model molekul DNA, seperti L. Pauling, untuk mempelajari struktur spasial protein. Ini akan membantu untuk memahami rincian struktur dan kemungkinan fungsi DNA.

Setelah melakukan perhitungan, mereka menghabiskan waktu 18 bulan untuk membuat model dan membuat model DNA. Namun mereka tidak yakin dengan kebenaran model ini.

Kepala R. Franklin - M. Wilkins mengizinkan D. Watson untuk mengetahui gambar sinar-X dari molekul DNA, tanpa memberi tahu R. Franklin apa pun tentangnya. Ketika D. Watson melihat gambar yang diterima oleh R. Franklin, dia menyadari: “dia dan F. Crick tidak salah.” Dalam gambar ini mereka dengan jelas melihat tanda-tanda spiral dan langsung pergi ke laboratorium untuk memeriksa “semuanya pada model tiga dimensi.”

Karena kurangnya pelat, D. Watson memotong empat jenis model nukleotida dari karton: adenin (A), timin (T), guanin (G) dan sitosin (C) dan mulai meletakkannya di atas meja.

Dia segera menemukan bahwa adenin bergabung dengan timin, dan guanin dengan sitosin sesuai dengan prinsip “gembok dan kunci”, membentuk pasangan. Beginilah cara dua untai molekul DNA disatukan.

Urutan pasangan-pasangan ini dalam suatu molekul dapat bervariasi tanpa batas. Ini berfungsi sebagai sandi atau kode yang dengannya informasi dienkripsi yang menentukan jenis protein yang disintesis oleh sel tertentu (Gbr. 1).

Beras. 1.

Basa-basa tersebut dihubungkan oleh ikatan hidrogen.

Molekul DNA melakukan dua fungsi: 1) mengirimkan informasi kepada keturunannya, yaitu. sel anak dan 2) mengimplementasikan informasi di dalam sel.

Dari struktur heliks ganda seseorang dapat langsung melihat konsekuensi langsungnya - replikasi, yaitu. reproduksi DNA. Metode: divergensi dua rantai komplementer dan konstruksi rantai komplementer baru untuk masing-masing rantai tersebut. Jadi dari satu molekul DNA terbentuk dua, yang diperlukan untuk pembelahan sel menjadi dua. Kesalahan selama replikasi, mis. mutasi adalah alasan transformasi sel normal menjadi sel rusak (Gbr. 2 dan 3).

Jadi, prinsip template replikasi DNA sebelum pembelahan telah terbukti

Sel diprediksi oleh ilmuwan besar, akademisi. N.K. Koltsov. Dua bagian molekul dipisahkan satu sama lain, dan separuh molekul baru disintesis dari masing-masing bagian. Urutan basa bertindak sebagai matriks atau templat untuk penyelesaian molekul.

DNA adalah gudang informasi genetik

Informasi tentang sintesis setiap jenis protein tertanam dalam DNA dalam bentuk rangkaian basa linier tertentu.

Pada tahun 1961, F. Crick membuktikan bahwa setiap kelompok yang terdiri dari tiga basa membentuk sebuah kodon. Satu kodon mengkode satu asam amino dari 20 asam amino utama.

Untuk mentransfer informasi tentang struktur protein dari inti sel, terdapat mRNA. Ini adalah salinan dari fragmen untai cetakan pengkodean DNA. Ini mengandung urasil, bukan timin.

Berdasarkan mRNA di ribosom, dengan bantuan transfer RNA, protein akan disintesis - penghubung terakhir dalam implementasi informasi genetik. Karena DNA berfungsi sebagai tempat penyimpanan informasi genetik, maka disebut molekul kehidupan.

Sebelum D. Watson dan F. Crick mulai mengerjakan struktur DNA, banyak yang telah diketahui.

Pada tahun 1951, R. Franklin pertama kali memperoleh foto sinar-X unik pertama dari sebuah molekul DNA, yang menunjukkan bahwa molekul ini berbentuk heliks ganda, sangat mirip dengan tangga spiral. Foto-fotonya memainkan peran penting dalam penemuan D. Watson dan F. Crick. Sebagai tandanya, R. Franklin disebut sebagai “pelopor” biologi molekuler.

Atas penemuan struktur DNA dan fungsinya, D. Watson, F. Crick dan M. Wilkins dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1962. R. Franklin tidak hidup. Dia meninggal karena kanker pada tahun 1958.

Revolusi dalam dunia ilmu pengetahuan

Penemuan struktur spasial DNA menjadi dasar sejumlah penemuan baru.

Di tahun 60an abad XX Mekanisme replikasi DNA telah dikonfirmasi, dan enzim, DNA polimerase, ditemukan yang mengkatalisis proses ini.

Kode genetik telah ditemukan, yaitu. kode dimana protein disintesis dalam sel.

Di tahun 70an abad XX dua metode lagi diciptakan: pengurutan dan produksi DNA rekombinan.

Memperoleh DNA rekombinan atau metode kloning molekuler. Inti dari metode ini adalah sebuah fragmen yang mengandung gen tertentu dimasukkan ke dalam molekul DNA.

Misalnya, mereka memasukkannya ke dalam bakteri, dan bakteri tersebut mensintesis produknya - protein yang diperlukan manusia.

Di tahun 80an abad XX reaksi berantai polimerase (PCR) dikembangkan. Teknologi ini diperlukan untuk “reproduksi” cepat dari fragmen DNA yang diinginkan.

Dengan menggunakan PCR, diagnosis dini infeksi bakteri dan virus, serta sel kanker pertama di tubuh pasien dapat dilakukan berdasarkan gen penandanya.

Misalnya, fragmen gen penanda sel kanker dapat dideteksi dalam plasma darah pasien. Jika fragmennya sedikit atau satu-satunya, maka dikalikan dengan PCR dan mudah diidentifikasi.

Penemuan struktur DNA telah memungkinkan para ilmuwan menguraikan genom manusia dan banyak organisme lainnya. Penemuan ini memungkinkan peralihan ke terapi gen untuk penyakit apa pun, termasuk kanker.

Sel kanker “kurang dikenali oleh sistem kekebalan pasien karena itu muncul dari sel normal organisme inang.”

Oleh karena itu, untuk menghancurkan sel kanker dengan menggunakan terapi gen, pertama-tama perlu membuat sel kanker “asing” bagi sistem kekebalan.

Ada banyak cara untuk melakukan ini. Dimungkinkan untuk mengisolasi sel kanker dari bahan biopsi kanker, memasukkan gen “asing” ke dalamnya, dan kemudian memasukkan kembali sel kanker tersebut ke dalam tubuh pasien. Dalam hal ini, sistem kekebalan tubuh, berdasarkan protein gen ini, akan mengenali sel kanker sebagai “asing” dan menghancurkannya.

Dalam percobaan pada hewan, metode mempengaruhi DNA sel kanker ini memberikan hasil positif yang menggembirakan. Namun untuk pengobatan pasien kanker, metode serupa masih dalam tahap uji klinis

(ED Sverdlov, 2003).

Menuju era “teknologi hidup”

Dan yang sangat luar biasa – awal dari era baru “teknologi hidup”. Para ilmuwan di sejumlah negara menyatakan bahwa mereka hampir siap untuk menciptakan “kehidupan buatan”, yaitu abiogenesis.

Meskipun tidak ada definisi tunggal tentang hidup, kehidupan mempunyai tiga ciri; 1) adanya wadah, mis. membran berisi isi sel;

2) metabolisme - kemampuan untuk mengubah nutrisi dasar menjadi mekanisme kerja sel; 3) adanya gen - konstruksi kimia yang diperlukan untuk pembangunan sel, yang dapat diturunkan ke keturunannya dan berubah seiring dengan perubahan lingkungan.

Masing-masing dari ketiga elemen ini telah direproduksi di laboratorium; para ilmuwan siap untuk mulai mencoba menggabungkan semua ini “ke dalam satu unit kerja”, yaitu. sel.

Jika berhasil, ini akan menjadi “dunia mesin hidup yang sangat kecil: sel-sel khusus akan menyembuhkan tubuh manusia dan melawan polusi lingkungan.”

Para ilmuwan menganggap tugas utama sains adalah menciptakan “sel buatan” yang mampu bereproduksi sendiri dan menghasilkan bahan kimia unik, termasuk obat-obatan yang belum dapat disintesis.

“Kehidupan buatan” akan berada di bawah kendali penuh manusia, misalnya “memberi makan” dengan unsur-unsur yang tidak ditemukan di alam dalam bentuk murni.

Sintesis virus dan awal sintesis sel

1. Prof. E. Wimmer dan kelompoknya dari New York pada tahun 2002, untuk pertama kalinya sejak lahirnya makhluk “hidup” di Bumi, menciptakan virus polio dari benda mati.

Para ilmuwan berpendapat: apakah virus itu makhluk hidup atau benda mati?

PIKIRAN. Stanley, seorang pemenang Hadiah Nobel, percaya bahwa “di dalam sel, virus berperilaku seperti makhluk hidup, tetapi di luar sel, ia mati seperti batu.”

G. Nadson, ahli mikrobiologi kami, mengatakan ini: “Virus bisa berupa suatu zat yang memiliki sifat-sifat suatu makhluk, atau suatu makhluk yang memiliki sifat-sifat suatu zat.”

Akademisi V.A. Engelhardt, ilmuwan kami, menulis: “Banyak virus hanya terdiri dari protein dan asam nukleat. Mereka dapat diklasifikasikan sebagai senyawa kimia – nukleoprotein.”

Genom virus polio telah diuraikan sepenuhnya. Atas dasar ini, para ilmuwan menyusun urutan nukleotida yang tepat sesuai dengan sampel alami.

Materi genetik ini ditempatkan dalam larutan yang mirip dengan sitoplasma. Di dalamnya, menurut informasi yang terkandung dalam DNA, protein yang diperlukan disintesis.

Prof. E. Wimmer melaporkan bahwa segera setelah semua komponen genetik ditempatkan dalam tabung reaksi, virus segera “berkumpul dengan sendirinya”. Dengan kata lain,

“Kehidupan, atau setidaknya kemiripannya, dimulai dengan setengah putaran.”

Virus yang dibuat tampak sama dengan sampel aslinya. Untuk membuktikan aktivitas virus, para ilmuwan menginfeksi tikus dengan virus tersebut. Hewan-hewan tersebut mati dengan gejala klasik polio.

Untuk perakitan genom virus polio, Prof. E. Wimmer membutuhkan waktu tiga tahun.

Di laboratorium yang sama, J. Craig Venter mensintesis virus dalam 14 hari.

2. Sintesis virus buatan phi-X174. Ini adalah bakteriofag, ada di alam, aman bagi manusia dan hewan.

K. Venter dan timnya mengambil beberapa bagian DNA dan menggabungkannya, menciptakan genom virus lengkap yang berisi sebelas gen. Campuran ini ditempatkan dalam tabung reaksi, lalu dirangkai secara independen menjadi rantai genetik yang identik dengan genom phi-X174. Genom yang telah dirakit kemudian ditanamkan ke dalam sel hidup, yang mulai memproduksi salinan virus.

3. Ilmuwan Amerika akan menciptakan suatu bentuk kehidupan yang tidak diketahui di alam. Para ilmuwan dari laboratorium Rockville mengumumkan niat mereka untuk menciptakan bentuk kehidupan baru menggunakan rekayasa genetika - 21 November 2002.

Tujuan dari proyek ini adalah untuk mempelajari mekanisme dasar asal usul dan perkembangan kehidupan organik. Peserta utamanya adalah ahli genetika K. Venter dan peraih Nobel H. Smith.

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk menciptakan satu sel, yang menjadi dasar pembentukan suatu organisme dengan seperangkat gen minimum untuk mendukung kehidupan.

Jika percobaan berhasil, maka sel yang tumbuh akan tumbuh dan membelah, sehingga menciptakan keseluruhan struktur seluler yang tidak ada di alam. Ini akan menjadi organisme “minimalis”.

Pada akhir tahun 1990-an abad ke-20. K. Venter, yang saat itu menjabat sebagai kepala Institut Penelitian Genomik di Rockville (AS), menerbitkan daftar gen yang diperlukan untuk keberadaan organisme bersel tunggal - mikoplasma. Menurut perhitungannya, penghuni saluran kelamin manusia ini mampu bertahan dengan 300 gen dari 517 gen yang dimiliki mikroba tersebut, yang pada mikroba ini membentuk satu kromosom.

Proyek 3 tahun ini didasarkan pada bakteri yang sama. Para ilmuwan bermaksud mengekstraksi semua materi genetik dari selnya, kemudian menyusun rantai gen buatan dari “potongan-potongannya”, yaitu. kromosom. Ini hanya akan mencakup gen bakteri yang “mutlak diperlukan” untuk mempertahankan kehidupan organisme baru. Pada tahap akhir, rantai gen yang telah dirakit akan dimasukkan ke dalam sel tanpa materi genetik.

Kemudian “hal yang paling menarik akan terjadi, hal yang menjadi tujuan percobaan ini” - kebangkitan bakteri. Berikutnya adalah pengamatan terhadap organisme semi-alami: bagaimana ia hidup dan berkembang biak.

“Kami tertarik pada apakah mungkin untuk sampai pada definisi molekuler tentang kehidupan, dan tujuan utama kami adalah pemahaman mendasar tentang komponen sel hidup yang paling dasar.”

Untuk menghindari terciptanya agen patogen, K. Venter dan H. Smith akan menghilangkan “mikoplasma” baru dari gen yang bertanggung jawab atas keterikatannya pada sel-sel tubuh manusia, kemudian dari gen yang memungkinkannya bertahan hidup dalam kondisi buruk. Hasilnya adalah “makhluk yang agak rapuh, sangat bergantung pada penciptanya”.

Tugas penelitian juga mencakup mempelajari cara membuat berbagai gen secara artifisial. “Ini benar-benar ilmu dasar,” kata K. Venter. - Bahkan

Meskipun kita telah menemukan semua gen dalam genom manusia, kita masih belum mampu memahami misteri sel yang paling sederhana. Itulah yang ingin kami lakukan sekarang."

K. Venter dan H. Smith dan kelompok mereka memiliki pilihan lain untuk membuat sel hidup: mensintesis gen dasar ini secara artifisial di laboratorium, mengumpulkannya dalam sebuah rantai, dan kemudian memasukkannya ke dalam bakteri yang sama, dari mana semua genetiknya materi akan dihapus terlebih dahulu

Apa yang K. Venter masukkan ke dalam tugasnya - memberikan "definisi molekuler tentang kehidupan"?

Setiap sel dibangun dari molekul, seperti tubuh secara keseluruhan. Struktur dan komposisinya, serta interaksinya, melekat pada gen. Dalam proses evolusi, setiap molekul disesuaikan dengan fungsinya di dalam sel. Sel bukanlah kumpulan molekul yang kacau, tetapi “keteraturannya”, yaitu. organisasi, karena dibangun oleh gen melalui produk - protein. Jika dihancurkan, maka meskipun molekul sel tersebut tetap berbentuk campuran, ia sudah mati, karena organisasi molekuler sel hancur. Dan itu diciptakan dalam proses evolusi “makhluk hidup”.

Oleh karena itu: K. Venter berusaha untuk memperoleh, dengan jumlah gen yang minimal, suatu organisasi molekul tak hidup yang akan berubah menjadi “hidup”. Ini akan menjadi abiogenesis.

Inggris Raya

Asam deoksiribonukleat (DNA) adalah salah satu dari dua jenis asam nukleat yang menjamin penyimpanan, transmisi dari generasi ke generasi, dan pelaksanaan program genetik untuk perkembangan dan fungsi organisme hidup.

Peran utama DNA dalam sel adalah penyimpanan informasi jangka panjang tentang struktur RNA dan protein. Menguraikan struktur DNA (1953) adalah salah satu titik balik dalam sejarah biologi.

Dalam literatur ilmiah yang membahas tentang studi DNA, paling sering Anda dapat menemukan nama J. Watson dan Francis Crick sebagai ilmuwan yang menciptakan model struktur molekul DNA pada tahun 1953. Namun, molekul itu sendiri ditemukan jauh lebih awal dan bukan oleh para ilmuwan tersebut. Nama penemunya tidak disebutkan di setiap buku teks, buku referensi, atau ensiklopedia.

Penemuan perintis asam deoksiribonukleat dilakukan oleh dokter muda Swiss Johann Friedrich Miescher. Pada tahun 1869, saat bekerja di Jerman, ia mempelajari komposisi kimia sel hewan. Ia memilih sel leukosit sebagai objek penelitiannya. Ilmuwan mengisolasi leukosit dari bahan bernanah, karena Di dalam nanah terdapat banyak sel darah putih yang melakukan fungsi perlindungan dalam tubuh dan menghancurkan mikroba. Rumah sakit bedah setempat memberinya perban yang dilepas dari luka bernanah yang baru. Miescher mencuci leukosit dari jaringan perban, dan kemudian mengisolasi molekul protein dari sel yang dicuci. Dalam proses penelitiannya, ia mampu membuktikan bahwa, selain protein, leukosit mengandung beberapa zat lain yang belum dipelajari. Itu dilepaskan dalam bentuk sedimen dengan struktur seperti benang atau flokulan ketika lingkungan asam tercipta. Ketika larutan dibuat basa, endapannya larut. Saat memeriksa sediaan leukosit di bawah mikroskop, Miescher menemukan bahwa dalam proses pencucian leukosit dengan asam klorida encer, hanya inti yang tersisa. Berdasarkan hal tersebut, ia menyimpulkan bahwa inti sel mengandung zat yang tidak diketahui, dan disebut dengan nuklein, dari kata latin nukleus yang artinya “inti”.

Setelah diperiksa lebih dekat, Miescher mengembangkan keseluruhan sistem untuk mengisolasi dan memurnikan nuklein. Dia melakukan perlakuan terhadap senyawa yang diisolasi dengan eter dan pelarut organik lainnya, dan yakin bahwa senyawa tersebut bukanlah senyawa lemak, karena tidak larut dalam zat tersebut. Mereka tidak memiliki sifat asam nukleat atau protein, karena ketika diolah dengan enzim yang menguraikan protein, mereka tidak mengalami perubahan apa pun.

Analisis kimia, pada masa itu, masih belum sempurna, tidak akurat, dan membutuhkan banyak tenaga. Perlahan tapi pasti, ilmuwan tersebut melaksanakannya dan menetapkan bahwa nuklein terdiri dari karbon, hidrogen, oksigen, dan fosfor. Senyawa organofosfat secara praktis masih belum diketahui pada saat itu, sehingga Miescher menyimpulkan bahwa ia telah menemukan golongan senyawa yang tidak diketahui sains, yang terkandung di dalam sel.

Ia ingin mempublikasikan artikel tentang penemuan barunya di jurnal Medico-Chemical Research yang diterbitkan oleh gurunya, salah satu pendiri biokimia, Felix Hoppe-Seyler. Namun sebelum mencetak materi tersebut, ia memutuskan untuk memeriksa datanya di laboratoriumnya. Penelitian ini memakan waktu satu tahun penuh, dan baru pada tahun 1871, karya Miescher diterbitkan di salah satu terbitan jurnal. Hal ini disertai dengan dua artikel oleh Hoppe-Seyler sendiri dan rekannya, yang mengkonfirmasi data tentang komposisi dan sifat nuklein.

Setelah kembali ke Swiss, Miescher menerima tawaran untuk mengambil posisi sebagai kepala departemen fisiologi di Universitas Basel. Di sana ia melanjutkan penelitiannya. Di tempat baru, ilmuwan menggunakan bahan yang lebih menyenangkan untuk eksperimen, dan tidak kalah kaya akan asam nukleat - susu salmon (masih digunakan untuk tujuan yang sama). Di tepi sungai Rhine yang kaya akan salmon, yang mengalir melalui Basel, dia tidak kekurangan bahan penelitian.

Pada tahun 1874, Miescher menerbitkan sebuah artikel yang menyatakan bahwa nuklein yang ia temukan dalam susu ikan salmon jelas berkaitan dengan proses pembuahan. Namun, dia sama sekali tidak menghubungkan mereka dengan keturunan. Ilmuwan menemukan bahwa senyawa yang ditemukannya begitu sederhana dan seragam sehingga dia tidak dapat membayangkan bahwa di dalamnya semua keragaman sifat turun-temurun organisme hidup dapat disimpan. Metode analisis biokimia yang ada pada saat itu belum memungkinkan untuk mendeteksi perbedaan yang signifikan antara nuklein manusia dan nuklein salmon, apalagi untuk mengenali struktur kompleks yang masih belum sepenuhnya dikenali.

Pada tahun 1952, ahli biofisika Inggris Rosalind Franklin menemukan bahwa asam deoksiribonukleat (DNA) menyerupai struktur tangga spiral. Namun, ketenaran penemuan ini, yang meletakkan dasar bagi penelitian gen modern, kemudian diambil alih oleh Maurice I Wilkins, serta Francis Crick dan James Watson.

Perangkat hereditas I Rosalind Franklin berangkat dari asumsi bahwa DNA, molekul nukleotida polimer yang sangat besar, harus terdiri dari blok-blok berulang. Untuk menguji hipotesis ini, peneliti Inggris tidak bisa begitu saja menggunakan mikroskop. Fenomena submikroskopis tersebut hanya dapat dideteksi melalui difraksi sinar-X. Oleh karena itu, peneliti memaparkan molekul DNA pada radiasi sinar-X dan, sebagai hasil kerja keras yang panjang, menetapkan bahwa strukturnya adalah heliks ganda. Dengan demikian, untuk pertama kalinya kita bisa membayangkan struktur komponen utama kehidupan manusia.

Sebuah penemuan tertinggal dalam bayang-bayang

Franklin tidak segera mempublikasikan hasil penelitiannya. Dia ingin terlebih dahulu mendapatkan konfirmasi atas pengamatannya dari rekan-rekannya. Pada tahun 1953, Maurice Wilkins, supervisor Franklin, meneruskan hasil yang diberikan kepadanya kepada karyawannya Crick dan ahli biokimia Watson tanpa sepengetahuannya. Para ilmuwan ini telah mengetahui komposisi kimia DNA: gula, deoksiribosa, fosfat, dan basa yang mengandung nitrogen adenin, sitosin, guanin, dan timin, dan mereka segera menghargai pentingnya data Franklin.

Hadiah Nobel tidak diberikan secara anumerta

Crick dan Watson, setelah membuat beberapa penambahan dan perubahan pada karya tersebut, menerbitkannya dengan nama mereka sendiri. Artikel terkenal “Struktur Molekuler Kista Nukleat: Struktur Asam Deoksiribonukleat”, yang terbit di jurnal Nature pada tahun 1954, membangkitkan antusiasme yang besar di kalangan dunia ilmiah. Watson dan Crick menciptakan model yang secara logis kebal, yang menjadi dasar untuk penelitian lebih lanjut. Sedangkan Rosalind Franklin meninggal pada tahun 1958 karena kanker pada usia 37 tahun. Hadiah Nobel Kedokteran untuk penemuan struktur DNA dianugerahkan pada tahun 1962 kepada Crick, Watson dan Wilkins.

• 1865: Gregor Johann Medel menetapkan hukum pewarisan prinsip genetik.
• 1970: Hamilton O. Smith dan Daniel Nathan meletakkan dasar bagi rekayasa genetika.
• 1973: Bakteri hasil rekayasa genetika diciptakan untuk pertama kalinya di Amerika Serikat.
• 1976: Ahli biofisika India Har Gobind Korana mensintesis gen secara lengkap untuk pertama kalinya.

MOSKOW, 25 April - RIA Novosti, Tatyana Pichugina. Tepat 65 tahun yang lalu, ilmuwan Inggris James Watson dan Francis Crick menerbitkan sebuah artikel tentang penguraian struktur DNA, yang meletakkan dasar bagi ilmu baru - biologi molekuler. Penemuan ini banyak mengubah kehidupan umat manusia. RIA Novosti berbicara tentang sifat-sifat molekul DNA dan mengapa itu sangat penting.

Pada paruh kedua abad ke-19, biologi merupakan ilmu yang masih sangat muda. Para ilmuwan baru saja mulai mempelajari sel, dan gagasan tentang hereditas, meskipun sudah dirumuskan oleh Gregor Mendel, belum diterima secara luas.

Pada musim semi tahun 1868, seorang dokter muda Swiss, Friedrich Miescher, tiba di Universitas Tübingen (Jerman) untuk terlibat dalam karya ilmiah. Dia bermaksud untuk mengetahui bahan apa yang terbuat dari sel. Untuk percobaan saya memilih leukosit yang mudah didapat dari nanah.

Memisahkan inti dari protoplasma, protein dan lemak, Miescher menemukan senyawa dengan kandungan fosfor yang tinggi. Dia menyebut molekul ini nuklein ("inti" dalam bahasa Latin - inti).

Senyawa ini menunjukkan sifat asam, itulah sebabnya istilah “asam nukleat” muncul. Awalannya "deoksiribo" berarti molekul tersebut mengandung gugus H dan gula. Lalu ternyata itu sebenarnya garam, tapi namanya tidak diubah.

Pada awal abad ke-20, para ilmuwan telah mengetahui bahwa nuklein adalah polimer (yaitu molekul fleksibel yang sangat panjang dengan unit berulang), unit tersebut terdiri dari empat basa nitrogen (adenin, timin, guanin, dan sitosin), dan nuklein. terkandung dalam kromosom - struktur kompak yang terjadi dalam pembelahan sel. Kemampuan mereka untuk menularkan ciri-ciri keturunan ditunjukkan oleh ahli genetika Amerika Thomas Morgan dalam percobaan pada lalat buah.

Model yang menjelaskan gen

Tapi apa fungsi asam deoksiribonukleat, atau disingkat DNA, di dalam inti sel belum dipahami sejak lama. Diyakini bahwa ia memainkan semacam peran struktural dalam kromosom. Unit hereditas—gen—dikaitkan dengan sifat protein. Terobosan ini dilakukan oleh peneliti Amerika Oswald Avery, yang secara eksperimental membuktikan bahwa materi genetik ditransfer dari bakteri ke bakteri melalui DNA.

Menjadi jelas bahwa DNA perlu dipelajari. Tapi bagaimana caranya? Pada saat itu, hanya sinar-X yang tersedia bagi para ilmuwan. Untuk menerangi molekul biologis dengannya, mereka harus dikristalisasi, dan ini sulit. Struktur molekul protein diuraikan dari pola difraksi sinar-X di Laboratorium Cavendish (Cambridge, UK). Peneliti muda yang bekerja di sana, James Watson dan Francis Crick, tidak memiliki data eksperimen sendiri tentang DNA, sehingga mereka menggunakan gambar sinar-X rekannya dari King's College Maurice Wilkins dan Rosalind Franklin.

Watson dan Crick mengusulkan model struktur DNA yang sama persis dengan pola sinar-X: dua untaian paralel dipelintir menjadi heliks tangan kanan. Setiap rantai terdiri dari sekumpulan basa nitrogen acak yang dirangkai pada tulang punggung gula dan fosfatnya, dan disatukan oleh ikatan hidrogen antar basa. Selain itu, adenin hanya berikatan dengan timin, dan guanin dengan sitosin. Aturan ini disebut prinsip saling melengkapi.

Model Watson dan Crick menjelaskan empat fungsi utama DNA: replikasi materi genetik, spesifisitasnya, penyimpanan informasi dalam molekul, dan kemampuannya bermutasi.

Para ilmuwan mempublikasikan penemuan mereka di jurnal Nature pada 25 April 1953. Sepuluh tahun kemudian, bersama Maurice Wilkins, mereka dianugerahi Hadiah Nobel Biologi (Rosalind Franklin meninggal pada tahun 1958 karena kanker pada usia 37).

“Sekarang, lebih dari setengah abad kemudian, kita dapat menyatakan bahwa penemuan struktur DNA memainkan peran yang sama dalam perkembangan biologi seperti halnya penemuan inti atom dalam fisika lahirnya ilmu fisika kuantum yang baru, dan penemuan struktur DNA menyebabkan lahirnya ilmu baru, biologi molekuler,” tulis Maxim Frank-Kamenetsky, ahli genetika terkemuka, peneliti DNA, dan penulis buku “The Molekul Paling Penting.”

Kode genetik

Sekarang yang tersisa hanyalah mencari tahu cara kerja molekul ini. Diketahui bahwa DNA mengandung instruksi untuk sintesis protein seluler, yang melakukan semua pekerjaan di dalam sel. Protein adalah polimer yang terdiri dari rangkaian (urutan) asam amino yang berulang. Apalagi hanya ada dua puluh asam amino. Spesies hewan berbeda satu sama lain dalam kumpulan protein dalam selnya, yaitu dalam urutan asam amino yang berbeda. Genetika menyatakan bahwa rangkaian ini ditentukan oleh gen, yang kemudian diyakini berfungsi sebagai bahan penyusun kehidupan. Tapi tidak ada yang tahu persis apa itu gen.

Kejelasan dibawakan oleh penulis teori Big Bang, fisikawan Georgiy Gamow, pegawai George Washington University (AS). Berdasarkan model heliks DNA beruntai ganda Watson dan Crick, ia menyatakan bahwa gen adalah bagian dari DNA, yaitu rangkaian tautan tertentu - nukleotida. Karena setiap nukleotida adalah salah satu dari empat basa nitrogen, kita hanya perlu mencari tahu bagaimana empat unsur mengkode dua puluh. Ini adalah gagasan tentang kode genetik.

Pada awal tahun 1960-an, diketahui bahwa protein disintesis dari asam amino di ribosom, semacam “pabrik” di dalam sel. Untuk memulai sintesis protein, suatu enzim mendekati DNA, mengenali bagian tertentu di awal gen, mensintesis salinan gen dalam bentuk RNA kecil (disebut templat), kemudian protein ditumbuhkan di ribosom dari asam amino.

Mereka juga menemukan bahwa kode genetiknya terdiri dari tiga huruf. Ini berarti bahwa satu asam amino berhubungan dengan tiga nukleotida. Satuan kode disebut kodon. Di ribosom, informasi dari mRNA dibaca kodon demi kodon secara berurutan. Dan masing-masingnya berhubungan dengan beberapa asam amino. Seperti apa bentuk sandinya?

Pertanyaan ini dijawab oleh Marshall Nirenberg dan Heinrich Mattei dari Amerika. Pada tahun 1961, mereka pertama kali melaporkan hasilnya pada kongres biokimia di Moskow. Pada tahun 1967, kode genetik telah diuraikan sepenuhnya. Ternyata hal ini bersifat universal untuk semua sel di semua organisme, yang mempunyai konsekuensi luas bagi ilmu pengetahuan.

Penemuan struktur DNA dan kode genetik sepenuhnya mengarahkan penelitian biologi. Fakta bahwa setiap individu memiliki rangkaian DNA yang unik telah merevolusi ilmu forensik. Menguraikan genom manusia telah memberi para antropolog metode baru untuk mempelajari evolusi spesies kita. Editor DNA yang baru ditemukan, CRISPR-Cas, memiliki rekayasa genetika yang sangat maju. Rupanya, molekul ini mengandung solusi terhadap masalah paling mendesak umat manusia: kanker, penyakit genetik, penuaan.