Molekulare Biologie ist der Zweig der Biologie, die sich mit der molekularen Basis der biologischen Tätigkeit befasst. Dieses Feld überlappt mit anderen Gebieten der Biologie und Chemie, besonders Genetik und Biochemie. Molekulare Biologie beschäftigt sich hauptsächlich mit dem Verstehen der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systemen einer Zelle, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Typen von DNA, RNS und Protein-Biosynthese sowie Lernen, wie diese Wechselwirkungen geregelt werden.

In der Natur 1961 schreibend, hat William Astbury molekulare Biologie als beschrieben

Beziehung zu anderen biologischen Wissenschaften

Forscher in der molekularen Biologie verwenden spezifischen Technik-Eingeborenen zur molekularen Biologie, aber verbinden zunehmend diese mit Techniken und Ideen von der Genetik und Biochemie. Es gibt nicht eine definierte Linie zwischen diesen Disziplinen. Die Zahl ist oben ein schematischer, der eine mögliche Ansicht von der Beziehung zwischen den Feldern zeichnet:

• Biochemie ist die Studie der chemischen Substanzen und Lebensprozesse, die in lebenden Organismen vorkommen. Biochemiker konzentrieren sich schwer auf die Rolle, Funktion und Struktur von biomolecules. Die Studie der Chemie hinter biologischen Prozessen und der Synthese biologisch aktiver Moleküle ist Beispiele der Biochemie.
• Genetik ist die Studie der Wirkung von genetischen Unterschieden auf Organismen. Häufig kann das durch die Abwesenheit eines normalen Bestandteils (z.B ein Gen) abgeleitet werden. Die Studie von "Mutanten" - Organismen, die ein oder funktionellere Bestandteile in Bezug auf den so genannten "wilden Typ" oder normalen Phänotyp fehlen. Genetische Wechselwirkungen (epistasis) können häufig einfache Interpretationen solcher "Knock-Out"-Studien verwechseln.
• Molekulare Biologie ist die Studie von molekularen Untermauerungen der Prozesse der Erwiderung, Abschrift, Übersetzung und Zellfunktion. Der Hauptlehrsatz der molekularen Biologie, wo genetisches Material in die RNS abgeschrieben und dann ins Protein übersetzt wird, trotz, ein grob vereinfachtes Bild der molekularen Biologie zu sein, stellt noch einen guten Startpunkt zur Verfügung, für das Feld zu verstehen. Dieses Bild erlebt jedoch Revision im Licht von erscheinenden neuartigen Rollen für die RNS.

Viel von der Arbeit in der molekularen Biologie ist quantitativ, und kürzlich ist viel Arbeit an der Schnittstelle der molekularen Biologie und Informatik in bioinformatics und rechenbetonten Biologie getan worden. Bezüglich des Anfangs der 2000er Jahre ist die Studie der Genstruktur und Funktion, molekularer Genetik, unter dem prominentesten Teilfeld der molekularen Biologie gewesen.

Zunehmend konzentrieren sich viele andere Schleifen der Biologie auf Moleküle, entweder direkt das Studieren ihrer Wechselwirkungen in ihrem eigenen Recht solcher als in der Zellbiologie und Entwicklungsbiologie, oder indirekt, wo die Techniken der molekularen Biologie verwendet werden, um historische Attribute von Bevölkerungen oder Arten, als in Feldern in der Entwicklungsbiologie wie Bevölkerungsgenetik und phylogenetics abzuleiten. Es gibt auch eine lange Tradition, biomolecules "vom Boden" in der Biophysik zu studieren.

Techniken der molekularen Biologie

Seit dem Ende der 1950er Jahre und Anfang der 1960er Jahre haben Molekularbiologen gelernt, die molekularen Bestandteile von Zellen und Organismen zu charakterisieren, zu isolieren, und zu manipulieren. Diese Bestandteile schließen DNA, das Behältnis der genetischen Information ein; RNS, ein naher Verwandter der DNA, deren sich Funktionen davon erstrecken, als eine vorläufige Arbeitskopie der DNA zu wirklichen strukturellen und enzymatischen Funktionen sowie einem funktionellen und strukturellen Teil des Übersetzungsapparats zu dienen; und Proteine, der enzymatische und strukturelle Haupttyp des Moleküls in Zellen.

Ausdruck-Klonen

Eine der grundlegendsten Techniken der molekularen Biologie, um Protein-Funktion zu studieren, ist Ausdruck-Klonen. In dieser Technik wird das DNA-Codieren für ein Protein von Interesse geklont (PCR und/oder Beschränkungsenzyme verwendend), in einen plasmid (bekannt als ein Ausdruck-Vektor). Ein Vektor hat 3 unterscheidende Merkmale: ein Ursprung der Erwiderung, einer vielfachen Klonen-Seite (MCS) und eines auswählenden Anschreibers (gewöhnlich antibiotischer Widerstand). Der Ursprung der Erwiderung wird Befürworter-Gebiete stromaufwärts die Anfang-Seite der Erwiderung/Abschrift haben.

Dieser plasmid kann entweder in Bakterienzellen oder in Tierzellen eingefügt werden. Das Einführen der DNA in Bakterienzellen kann durch die Transformation (über das Auffassungsvermögen der nackten DNA), Konjugation (über den Zellzelle-Kontakt) oder durch transduction (über den Virenvektoren) getan werden. Das Einführen der DNA in eukaryotic Zellen, wie Tierzellen, durch physische oder chemische Mittel wird transfection genannt. Mehrere verschiedene transfection Techniken, sind wie Kalzium-Phosphat transfection, electroporation, Mikroeinspritzung und liposome transfection verfügbar. DNA kann auch in eukaryotic Zellen mit Viren oder Bakterien als Transportunternehmen eingeführt werden, der Letztere wird manchmal bactofection und im besonderen Gebrauch Agrobacterium tumefaciens genannt. Der plasmid kann ins Genom integriert werden, auf einen stabilen transfection hinauslaufend, oder kann unabhängig des Genoms, genannt vergänglichen transfection bleiben.

In jedem Fall ist das DNA-Codieren für ein Protein von Interesse jetzt innerhalb einer Zelle, und das Protein kann jetzt ausgedrückt werden. Eine Vielfalt von Systemen, wie Inducible-Befürworter und spezifische Zellzeichen Gfaktoren, ist verfügbar, um zu helfen, das Protein von Interesse an hohen Niveaus auszudrücken. Große Mengen eines Proteins können dann aus der bakteriellen oder eukaryotic Zelle herausgezogen werden. Das Protein kann für die enzymatische Tätigkeit unter einer Vielfalt von Situationen geprüft werden, das Protein kann so kristallisiert werden seine tertiäre Struktur, kann oder in der pharmazeutischen Industrie studiert werden, die Tätigkeit von neuen Rauschgiften gegen das Protein kann studiert werden.

Kettenreaktion von Polymerase (PCR)

Die polymerase Kettenreaktion ist eine äußerst vielseitige Technik, um DNA zu kopieren. Kurz gesagt PCR erlaubt einer einzelnen DNA-Folge (Millionen von Zeiten) kopiert, oder auf vorher bestimmte Weisen verändert zu werden. Zum Beispiel kann PCR verwendet werden, um Beschränkungsenzym-Seiten einzuführen, oder sich zu ändern (ändern) besondere Basen der DNA, der Letztere ist eine Methode gekennzeichnet als "Schnelle Änderung". PCR kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein besonderes DNA-Bruchstück in einer cDNA Bibliothek gefunden wird. PCR hat viele Schwankungen, wie Rückabschrift PCR (RT-PCR) für die Erweiterung der RNS, und, mehr kürzlich, schritthaltenden PCR (QPCR), die quantitatives Maß der DNA oder RNS-Moleküle berücksichtigen.

Gel-Elektrophorese

Gel-Elektrophorese ist eines der Hauptwerkzeuge der molekularen Biologie. Das Kernprinzip ist, dass DNA, RNS und Proteine alle mittels eines elektrischen Feldes getrennt werden können. In der agarose Gel-Elektrophorese können DNA und RNS auf der Grundlage von der Größe durch das Laufen der DNA durch ein agarose Gel getrennt werden. Proteine können auf der Grundlage von der Größe durch das Verwenden eines SDS-SEITIGEN Gels, oder auf der Grundlage von der Größe und ihrer elektrischen Anklage durch das Verwenden getrennt werden, was als eine 2. Gel-Elektrophorese bekannt ist.

Das Makromolekül-Beflecken und die Untersuchung

Das nördliche, westliche und östliche Beflecken der Begriffe wird daraus abgeleitet, was am Anfang ein molekularer Biologie-Witz war, der zum Begriff Southern gespielt hat, der nach der Technik befleckt, die von Edwin Southern für den hybridisation der befleckten DNA beschrieben ist. Patricia Thomas, Entwickler des RNS-Kleckses, der dann bekannt als der nördliche Klecks wirklich geworden ist, hat den Begriff nicht gebraucht. Weitere Kombinationen dieser Techniken haben solche Begriffe wie southwesterns (Kreuzungen der PROTEIN-DNA), northwesterns erzeugt (um Wechselwirkungen der Protein-RNS zu entdecken), und farwesterns (Wechselwirkungen des Protein-Proteins), von denen alle jetzt in der Literatur gefunden werden.

Das südliche Beflecken

Genannt nach seinem Erfinder, Biologen Edwin Southern, ist der Klecks von Southern eine Methode, um für die Anwesenheit einer spezifischen DNA-Folge innerhalb einer DNA-Probe forschend einzudringen. DNA-Proben vorher oder nach dem Beschränkungsenzym-Verzehren werden durch die Gel-Elektrophorese getrennt und dann einer Membran durch das Beflecken über die kapillare Handlung übertragen. Die Membran wird dann zu einer etikettierten DNA-Untersuchung ausgestellt, die eine Ergänzungsgrundfolge zur Folge auf der DNA von Interesse hat. Die meisten ursprünglichen Protokolle haben radioaktive Etiketten verwendet, jedoch sind nichtradioaktive Alternativen jetzt verfügbar. Southern, der befleckt, wird in der Laborwissenschaft wegen der Kapazität anderer Techniken wie PCR weniger allgemein verwendet, um spezifische DNA-Folgen von DNA-Proben zu entdecken. Diese Kleckse werden noch für einige Anwendungen, jedoch, wie das Messen transgene Kopie-Zahl in transgenic Mäusen, oder in der Technik des Genknock-Outs embryonische Stammzelle-Linien verwendet.

Das nördliche Beflecken

Der nördliche Klecks wird verwendet, um die Ausdruck-Muster eines spezifischen Typs des RNS-Moleküls als Verhältnisvergleich unter einer Reihe verschiedener Proben der RNS zu studieren. Es ist im Wesentlichen eine Kombination, RNS-Gel-Elektrophorese und einen Klecks zu denaturieren. In diesem Prozess wird RNS gestützt auf der Größe getrennt und wird dann einer Membran übertragen, die dann mit einer etikettierten Ergänzung einer Folge von Interesse untersucht wird. Die Ergebnisse können durch eine Vielfalt von Wegen vergegenwärtigt werden, je nachdem das Etikett verwendet hat; jedoch laufen die meisten auf die Enthüllung von Bändern hinaus, die die Größen der in der Probe entdeckten RNS vertreten. Die Intensität dieser Bänder ist im Wert von der Ziel-RNS in den analysierten Proben verbunden. Das Verfahren wird allgemein verwendet, um zu studieren, wenn und wie viel Genausdruck durch das Messen vorkommt, wie viel dieser RNS in verschiedenen Proben da ist. Es ist eines der grundlegendsten Werkzeuge, um zu bestimmen, um wie viel Uhr, und unter welchen Bedingungen bestimmte Gene in lebenden Geweben ausgedrückt werden.

Das Westbeflecken

Antikörper zu den meisten Proteinen können durch das Einspritzen kleiner Beträge des Proteins in ein Tier wie eine Maus, Kaninchen, Schafe oder Esel (polyclonal Antikörper) geschaffen oder in der Zellkultur (monoclonal Antikörper) erzeugt werden. Diese Antikörper können für eine Vielfalt von analytischen und vorbereitenden Techniken verwendet werden.

Im Westbeflecken werden Proteine zuerst durch die Größe in einem dünnen Gel getrennt, das zwischen zwei Glastellern in einer Technik eingeschoben ist, bekannt als SDS-SEITIG (Natrium dodecyl Sulfat polyacrylamide Gel-Elektrophorese). Die Proteine im Gel werden dann einem PVDF, nitrocellulose, Nylonstrümpfen oder anderer Unterstützungsmembran übertragen. Diese Membran kann dann mit Lösungen von Antikörpern untersucht werden. Antikörper, die spezifisch zum Protein von Interesse binden, können dann durch eine Vielfalt von Techniken, einschließlich farbiger Produkte, Chemilumineszenz oder Autoröntgenografie vergegenwärtigt werden. Häufig werden die Antikörper mit Enzymen etikettiert. Wenn ein chemiluminescent Substrat zum Enzym ausgestellt wird, erlaubt es Entdeckung. Das Verwenden von Westbeflecken-Techniken erlaubt nicht nur Entdeckung sondern auch quantitative Analyse.

Analoge Methoden zum Westbeflecken können verwendet werden, um spezifische Proteine in lebenden Zellen oder Gewebeabteilungen direkt zu beschmutzen. Jedoch werden diese immunostaining Methoden, wie FISCH, öfter in der Zellbiologie-Forschung verwendet.

Das Ostbeflecken

Ostbeflecken-Technik soll Postübersetzungsmodifizierung von Proteinen entdecken. Proteine, die auf dem PVDF oder der nitrocellulose Membran befleckt sind, werden für Modifizierungen mit spezifischen Substraten untersucht.

Reihe

Eine DNA-Reihe ist eine Sammlung von Punkten, die einer festen Unterstützung wie ein Mikroskop-Gleiten beigefügt sind, wo jeder Punkt ein oder mehr einzeln gestrandete DNA oligonucleotide Bruchstück enthält. Reihe macht es möglich, große Mengen von sehr kleinen (100-Mikrometer-Diameter) Punkte auf einem einzelnen Gleiten hinzustellen. Jeder Punkt hat ein DNA-Bruchstück-Molekül, das zu einer einzelnen DNA-Folge (ähnlich dem Südlichen Beflecken) ergänzend ist. Eine Schwankung dieser Technik erlaubt dem Genausdruck eines Organismus in einer besonderen Bühne in der Entwicklung (Ausdruck Kopierfräs-) qualifiziert zu werden. In dieser Technik wird die RNS in einem Gewebe isoliert und zu etikettiertem cDNA umgewandelt. Dieser cDNA wird dann zu den Bruchstücken auf der Reihe gekreuzt, und die Vergegenwärtigung der Kreuzung kann getan werden. Da vielfache Reihe mit genau derselben Position von Bruchstücken gemacht werden kann, sind sie besonders nützlich, für den Genausdruck von zwei verschiedenen Geweben wie ein gesundes und krebsbefallenes Gewebe zu vergleichen. Außerdem kann man das messen, welche Gene ausgedrückt werden, und wie sich dieser Ausdruck mit der Zeit oder mit anderen Faktoren ändert. Zum Beispiel enthält die Hefe des allgemeinen Bäckers, Saccharomyces cerevisiae, ungefähr 7000 Gene; mit einer Mikroreihe kann man qualitativ messen, wie jedes Gen ausgedrückt wird, und wie sich dieser Ausdruck zum Beispiel mit einer Änderung in der Temperatur ändert.

Es gibt viele verschiedene Weisen, Mikroreihe zu fabrizieren; die allgemeinsten sind Siliziumchips, Mikroskop-Gleiten mit Punkten des ~ 100-Mikrometer-Diameters, der kundenspezifischen Reihe und der Reihe mit größeren Punkten auf porösen Membranen (Makroreihe). Es kann überall von 100 Punkten bis mehr als 10,000 auf einer gegebenen Reihe geben.

Reihe kann auch mit Molekülen außer der DNA gemacht werden. Zum Beispiel kann eine Antikörper-Reihe verwendet werden, um zu bestimmen, welche Proteine oder Bakterien in einer Blutprobe anwesend sind.

Allel spezifischer Oligonucleotide

Allel spezifisches oligonucleotide (ASO) ist eine Technik, die Entdeckung von einzelnen Grundveränderungen ohne das Bedürfnis nach PCR oder Gel-Elektrophorese erlaubt. Kurz (20-25 nucleotides in der Länge), etikettierte Untersuchungen werden zur nichtgebrochenen Ziel-DNA ausgestellt. Kreuzung kommt mit der hohen Genauigkeit wegen der kurzen Länge der Untersuchungen vor, und sogar eine einzelne Grundänderung wird Kreuzung hindern. Die Ziel-DNA wird dann gewaschen und die etikettierten Untersuchungen, die nicht gekreuzt haben, werden entfernt. Die Ziel-DNA wird dann für die Anwesenheit der Untersuchung über die Radioaktivität oder Fluoreszenz analysiert. In diesem Experiment, als in den meisten molekularen Biologie-Techniken, muss eine Kontrolle verwendet werden, um erfolgreiches Experimentieren zu sichern. Die Feinprobe der Illumina Methylation ist ein Beispiel einer Methode, die die ASO Technik ausnutzt, um Grundpaar-Unterschiede in der Folge zu messen.

Veraltete Technologien

In der molekularen Biologie werden Verfahren und Technologien ständig entwickelt, und ältere Technologien aufgegeben. Zum Beispiel, vor dem Advent der DNA-Gel-Elektrophorese (agarose oder polyacrylamide), wurde die Größe von DNA-Molekülen normalerweise durch die Rate-Ablagerung in Rohrzucker-Anstiegen, eine langsame und arbeitsintensive Technik bestimmt, die teure Instrumentierung verlangt; vor Rohrzucker-Anstiegen wurde viscometry verwendet.

Beiseite von ihrem historischen Interesse lohnt sich es häufig, es über die ältere Technologie zu wissen, weil es gelegentlich nützlich ist, ein anderes neues Problem zu beheben, für das die neuere Technik unpassend ist.

Geschichte

Während molekulare Biologie in den 1930er Jahren gegründet wurde, wurde der Begriff von Warren Weaver 1938 ins Leben gerufen. Warren war der Direktor von Naturwissenschaften für das Fundament von Rockefeller zurzeit und hat geglaubt, dass Biologie im Begriff gewesen ist, eine Periode der bedeutenden Änderung gegeben neue Fortschritte in Feldern wie Röntgenstrahl-Kristallographie zu erleben. Er hat deshalb bedeutende Beträge (Institut von Rockefeller) Geld in biologische Felder geleitet.

Klinische Bedeutung

Klinische Forschung und medizinische Therapien, die aus der molekularen Biologie entstehen, werden unter der Gentherapie teilweise bedeckt

Der Gebrauch der molekularen Biologie oder molekularen Zellbiologie-Annäherungen in der Medizin wird jetzt Molekulare Medizin genannt.

Siehe auch

• Cohen, S.N. Chang, A.C.Y. Boyer, H. & Heling, R.B. Construction biologisch funktionellen bakteriellen plasmids in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. 70, 3240 - 3244 (1973).
• Rodgers, M Der Kongress der Büchse der Pandora. Das Rollen des Steins 189, 37 - 77 (1975).

Weiterführende Literatur

• Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis und Alexander Johnson, molekulare Biologie der Zelle
• 4. Ausgabe, Routledge, März 2002, gebundene Ausgabe, 1616 Seiten, 7.6 Pfunde, internationale Standardbuchnummer 0-8153-3218-1
• 3. Ausgabe, Girlande, 1994, internationale Standardbuchnummer 0-8153-1620-8
• 2. Ausgabe, Girlande, 1989, internationale Standardbuchnummer 0-8240-3695-6

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