Молекулалық биология. Молекулалық биологияның даму тарихы мен зерттеу әдістері.
Молекулалық биология — тіршілікті молекулалық деңгейде зерттейтін кешенді биология ғылымының маңызды саласының бірі.
Молекулалық биология ғылымының негізгі зерттеу объекттері — жасушаның ақпараттық макромолекулалары-ақуыз және нуклеин қышқылдары болып саналады. Ол ақпараттық макромолекулалардың құрылысын, қызметтерін, таралуын зерттейді.
Қазіргі таңда молекулалық биология жедел дамып келе жатқан ғылым ретінде теориялық және қолданбалы биология, генетика, медицина, ауылшаруашылығы т.б. ғылымдардың дамуында маңызды рөл атқарады. XXI ғасырды молекулалық биология ғасыры деп атауда.
Молекулалық биология ғылымы бірнеше бөлімдерге бөлінеді: геномика — тұқым қуалаушылықтың материалдық негіздері-ДНҚ, РНҚ молекулаларының құрылыстарын, қызметтерін зерттейді; протеомика — жасуша ақуыздарьшың құрылысын, қызметгерін зертгейтін бөлім.
Геномика ғылымының негізгі міндеті мен мақсаты — адам және басқа да тірі ағзалардың геномдарының құрылысын, қызмет ету тетіктерін зерттеп, анықтап, анықталған деректерді, білімдерді адам өмірінің сапасын жақсартуға пайдалану болып табылады.
Молекулалық биология ғылымының дербес ғылым ретінде қалыптасуы 1953 жылдан кейін басталды, себебі осы жылы Ф.Крик және Дж. Уотсон дезоксирибонуклеотид қышқылының (ДНҚ) қос ширатпалы құрылысын анықтап, оның моделін құрастырған. Соңғы 50-55 жыл ішінде молекулалық биология ғылымы тіршіліктің сырларын зерттеуде көптеген маңызды жетістіктерге қол жеткізді.
XX ғасырдың 40-50 жылдары ғалымдардың зерттеулері нәтижесінде тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі нуклеин қышқылдары екендігі белгілі болды (О.Эйвери, К.Мак Леод, М.Мак Карти; Н.Циндер, Д.Ледерберг; Х.Френкель-Конрат т.б.)
1954 жылы американ ғалымы Г.Гамов тұқым қуалаушылық ақпарат ДНҚ молекуласында генетикалық код күйінде жазылған, генетикалық ход 3 нуклеотидтен түруы мүмкін деген болжам жасады. Ал, 1961-1964 жылдары Ф.Крик, Х.Корана, М.Ниренберг, С.Очао т.б. ғалымдардың еңбектері нәтижесінде генетикалық кодтың толық сөздігі анықталды.
1961 жылы француз ғалымдары Ф.Жакоб және Ж.Моно прокариотгар гендерінің экспрессиялануының оперондық гипотезасын үсынды. Кейінірек гендердің экспрессиялану тетіктері (механизмі) прокариоттарда да, эукариоттарда да бірдей жоба күйінде болатындығы белгілі болды (Г.П.Георгиев).
2001-2003 жылдары «Адам геномы» атты халықаралық ғылыми бағдарлама толық аяқталып, 2001 жылдан кейін адамзат постгеномдық дәуірге аяқ басты.
Молекулалық биологияның дамуына көптеген орыс және қазақ ғалымдары ат салысты, олардың арасынан ААБаев, А.Н.Белозерский, А.С.Спирин, ВАЭнгельгард, А.П.Георгаев, ТДарханбаев, МААйтхожин, Х.Жуматов т.б. есімдерді атауға болады.
Молекулалық биология өз алдына дербес ғылым ретінде XX -ғасырдың 40 — 50 жылдары бөлініп шықты. Ол әртүрлі ғылымдардың (биология, химия, физика т.с.с.) түйісуінің нәтижесінде пайда болды, сондықган да молекулалық биологая аталған және баскд да ғылымдардың жетістіктерін, зерттеу әдістерін кеңінен пайдаланып талдау жасайды.
Молекулалық биология тіршілікті молекулалық деңгейде зерттейтін биологияның ең маңызды салаларының бірі. Ол биологиялық макромолекулалар — нуклеин қышқылдары мен белоктардың құрылысын, қызметін зерттейді.
Цитогенетикалық әдіс — микроскоп арқылы хромосомаларды зерттеуден басталады. Бұл әдіс арқылы: 1) ағзалардың кариотипін анықтайды; 2) хромосома санын анықтайды; 3) хромосомалардың морфологиясын зерттеп, олардың кұрылысында өзгерістер бар-жоғын анықтайды, яғни хромосомалық ауруларды анықтайды; 4) хромосомалардың генетикалық карталарын жасау үшін пайдаланады-ол үшін хромосомаларды тандамалы бояйды; 5) геномдық не хромосомалық мутацияларды, олардың жиілігін, анықтау үщін пайдаланады.
4) Соматикалық жасушалар генетикасы әдісі. Жасушаларды ағзадан тыс, жасанды қоректік орталарда өсіреді. Оларды өсіру кезінде қажет болған, немесе зерттеушінің көзіне түскен ереюде жасушаны бөліп алып клондайды, яғни көбейтеді және сол жасушалар тобын алып зерттейді. Ол жасушаларды әрі қарай сұрыптап будандастырады.
Бұл әдіс нәтижесінде: 1) гендердің тіркесуін және олардың хромосома бойында орналасу орнын анықтайды; 2) кейбір гендердің активтігінің нәтижесі ретінде синтезделінетін олардың нақтылы өнімдерін зерттейді; 3) гендердің әрекеттесуін және олардың активтілігінің реттелу механизмдерін анықтайды; 4) гендік мутацияларды зерттеу үшін қолданады.
Осы әдісті пайдаланып медицина практикасында әлі туылмаған баланың жынысын, 60 жуықтұқым куалайтын ауруларын анықтауға болады. Ол үшін жатырдан сұйықтық алып ондағы ұрық жасушаларын өсіріп зерттейді (амниоцентез).6) Биохимиялық әдістер — ферменттік жүйелердің белсенділігін зерттеу арқылы жүргізіледі. Олар зат алмасу ауруларының себебі-гендік мутацияларды анықгауға, сол сияқгы биохимиялық тесттер арқылы патологиялық гендердің гетерозиготалы тасымалдаушыларын да анықтауға мүмкіндік береді. Ол үшін зерттелуші адамдардың қанына (венасына) белгілі бір аминқышқылының (мысалы фенилалениннің) бірідама мөлшерін енгізеді де мезгіл мезгіл оның кандағы концентрациясын анықтайды.
2. Нуклеин қышқылдарының биологиялық мәні және генетикалық материалдың табиғаты. ДНҚ-ның генетикалық ақпаратты сақтаушы екендігі
Нуклеин қышқылдары жасушаның ең маңызды макромолекулалары-ның бірі болып саналады. Нуклеин қышқылының (ДНҚ) молекуласын XIX ғасырдың аяғында-1868 жылы Швейцария ғалымы Ф. Мишер ашқан. Ал олардың қызметтері, молекуласының құрылысы, кейінірек белгілі болды (ХХ-ғ 50 жылдары).
Қазіргі кездері нуклеин қышқылдарының тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі екендігіне ешкім шүбә келтірмейді, бірақ бұл тек 1950 жылы X. Френкель-Конрат тәжірибелері нәтижесінде ғана үзілді-кесілді дәлелденген. Ал, XX ғасырдың 20 жылдарында (1928ж). тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі ретінде ақуыз молекуласы саналып келген (Н.Кольцов).
XX ғасырдың 20 жылдары Т.Морган т.б ғалымдардың еңбектері арқасында тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі хромосомалар екені белгілі болды (тұқым қуалаушылықтың хромосомалық теориясы). Сонымен бірге хромосомалар ақуыз және нуклеин қышқылынан (ДНҚ) тұратындығы да анықталды. Ал, осы екі макромолекулалардың — ақуыз және нуклеин қышқылының (ДНҚ) қайсысы тұқым қуалаушылыққа жауапты деген мәселе ғалымдар арасында біршама пікір талас туғызды. 1928 ж. Н.К. Кольцов ген қызметін ақуыз молекуласы атқаруы мүмкін деген болжам жасады және 1940 жылға дейін ғалымдардың көпшілігі осы пікірді қуаттап келген.
1928 ж. Ф. Гриффитс бактериялардың трансформациялау қабілетіне тәжірибе жасап, тұқым қуалаушылыққа ақуыз емес ДНҚ молекуласы жауапты болуы мүмкін деген болжам жасады.
Трансформация — дегеніміз бактерияның бір штаммының екінші бір штаммның ДНҚ молекуласының бір бөлігін өзіне қосып алып, оның қасиетіне ие болуы.
Ф. Гриффитс тышқандарға вирулентті (патогенді) және вирулентті емес (патогенді емес) пневмококк штаммдарын енгізіп, пневмококк штаммдарының вируленттік қасиеті ДНҚ молекуласының фрагменттері арқылы беріледі деп болжамдаған. 1944 ж. О.Эйвери, К.Мак Леод және М. Мак Карти осы тәжірибені жаңа әдістемелік деңгейде қайталап Ф. Гриффитс болжамын растады. 1952 ж. Н.Циндер және Д. Ледерберг трансдукция құбылысын ашып (трансдукция бактериофагтардың бактерияның бір штаммының ДНҚ фрагментін екінші штаммына көшіре алу қасиеті) ДНҚ молекуласының тұқым қуалаушылықтағы рөлі туралы тағы бір дәлелдемеге қол жеткізді. 1950 жылы X. Френкель-Конрат темекі өсімдігіне темекі мозайкасы вирусының вируленті және вирулентті емес штаммдарының ақуыз және РНҚ молекулаларын жеке-жеке және бірге енгізіп, тәжірибе жасап, тұқым қуалаушылық ақпарат ақуыз молекуласында емес, нуклеин қышқылдарында болатындығын үзілді-кесілді дәлелдеді.
Х.Френкель-Конрат тәжірибесінің мәні мынада: егер вирулентті вирус штаммының тек ақуыз молекуласын өсімдікке енгізгенде ауру дамымаған, ал вирулентті вирус штаммының РНҚ молекуласын темекі өсімдігіне енгізгенде ауру дамыған. Сол сияқты, вирулентті вирус штаммының ақуыз молекуласын және вирулентті емес РНҚ молекуласын бірге енгізгенде ауру дамымайды, ал вирулентті емес вирус штаммының ақуыз молекуласын және вирулентті вирус штаммының РНҚ-сын бірге енгізгенде ауру дамыған.