Большая Советская Энциклопедия (МО)

Задачи молекулярной биологии. Наряду с указанными важными задачами М. б. (познанием закономерностей «узнавания», самосборки и интеграции) актуальным направлением научного поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и трёхмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых кислот. В данное время это достигнуто в отношении общего плана трёхмерной структуры ДНК (двойной спирали), но без точного знания её первичной структуры. Быстрые успехи в разработке аналитических методов позволяют с уверенностью ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется, главные вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики и химии. Все важнейшие методы, использование которых обеспечило возникновение и успехи М. б., были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и др.). Почти все новые физические экспериментальные подходы (например, использование ЭВМ, синхротронного, или тормозного, излучения, лазерной техники и др.) открывают новые возможности для углублённого изучения проблем М. б. В числе важнейших задач практического характера, ответ на которые ожидается от М. б., на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее — пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний — «молекулярных болезней» . Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т. е. действия ферментов. К числу важнейших современных направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов , токсических и лекарственных веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М. б. — познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д. Один из важных формирующихся разделов М. б. — т. н. генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (геномом ) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний и исправления генетических дефектов). О более обширных вмешательствах в генетическую основу человека речь может идти лишь в более или менее отдалённом будущем, т. к. при этом возникают серьёзные препятствия как технического, так и принципиального характера. В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживающи (например, получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских важных веществ.

Организация исследований по молекулярной биологии. Быстрое развитие М. б. повлекло за собой возникновение большого числа специализированных научно-исследовательских центров. Количество их быстро возрастает. Наиболее крупные: в Великобритании — Лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский институт в Лондоне; во Франции — институты молекулярной биологии в Париже, Марселе, Страсбуре, Пастеровский институт; в США — отделы М. б. в университетах и институтах в Бостоне (Гарвардский университет, Массачусетсский технологический институт), Сан-Франциско (Беркли), Лос-Анджелесе (Калифорнийский технологический институт), Нью-Йорке (Рокфеллеровский университет), институты здравоохранения в Бетесде и др.; в ФРГ — институты Макса Планка, университеты в Гёттингене и Мюнхене; в Швеции — Каролинский институт в Стокгольме; в ГДР — Центральный институт молекулярной биологии в Берлине, институты в Йене и Галле; в Венгрии — Биологический центр в Сегеде. В СССР первый специализированный институт М. б. был создан в Москве в 1957 в системе АН СССР (см.Молекулярной биологии институт ); затем были образованы: институт биоорганической химии АН СССР в Москве, институт белка в Пущине, Биологический отдел в институте атомной энергии (Москва), отделы М. б. в институтах Сибирского отделения АН в Новосибирске, Межфакультетская лаборатория биоорганической химии МГУ, сектор (затем институт) молекулярной биологии и генетики АН УССР в Киеве; значительная работа по М. б. ведётся в институте высокомолекулярных соединений в Ленинграде, в ряде отделов и лабораторий АН СССР и других ведомств.

Наряду с отдельными научно-исследовательскими центрами возникли организации более широкого масштаба. В Западной Европе возникла Европейская организация по М. б. (ЕМБО), в которой участвует свыше 10 стран. В СССР при институте молекулярной биологии в 1966 создан научный совет по М. б., являющийся координирующим и организующим центром в этой области знаний. Им выпущена обширная серия монографий по важнейшим разделам М. б., регулярно организуются «зимние школы» по М. б., проводятся конференции и симпозиумы по актуальным проблемам М. б. В дальнейшем научные советы по М. б. были созданы при АМН СССР и многих республиканских Академиях наук. С 1966 выходит журнал «Молекулярная биология» (6 выпусков в год).

За сравнительно короткий срок в СССР вырос значительный отряд исследователей в области М. б.; это учёные старшего поколения, частично переключившие свои интересы из др. областей; в главной же своей массе это многочисленные молодые исследователи. Из числа ведущих учёных, принявших деятельное участие в становлении и развитии М. б. в СССР, можно назвать таких, как А. А. Баев, А. Н. Белозерский, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Энгельгардт. Новым достижениям М. б. и молекулярной генетики будет способствовать постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР (май 1974) «О мерах по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве».

Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Сент-Дьердь и А., Биоэнергетика, пер. с англ., М., 1960; Анфинсен К., Молекулярные основы эволюции, пер. с англ., М., 1962; Стэнли У., Вэленс Э., Вирусы и природа жизни, пер. с англ., М., 1963; Молекулярная генетика, пер. с. англ., ч. 1, М., 1964; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Гауровиц Ф., Химия и функции белков, пер. с англ., М., 1965; Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, 3 изд., М. — Л., 1973; Ингрэм В., Биосинтез макромолекул, пер. с англ., М., 1966; Энгельгардт В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Введение в молекулярную биологию, пер. с англ., М., 1967; Уотсон Дж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Финеан Дж., Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; Бендолл Дж., Мышцы, молекулы и движение, пер. с англ., М., 1970; Ичас М., Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Молекулярная биология вирусов, М., 1971; Молекулярные основы биосинтеза белков, М., 1971; Бернхард С., Структура и функция ферментов, пер. с англ., М., 1971; Спирин А. С., Гаврилова Л. П., Рибосома, 2 изд., М., 1971; Френкель-Конрат Х., Химия и биология вирусов, пер. с англ., М., 1972; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления, пер. с англ., М., 1972; Харрис Г., Основы биохимической генетики человека, пер. с англ., М., 1973.

В. А. Энгельгардт.

Молекулярная генетика

Молекуля'рная гене'тика, раздел генетики и молекулярной биологии , ставящий целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа её хранения.

М. г. выделилась в самостоятельное направление в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физических и химических методов (рентгеноструктурный анализ, хроматография, электрофорез, высокоскоростное центрифугирование, электронная микроскопия, использование радиоактивных изотопов и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отдельных компонентов клетки и всю клетку как единую систему. С новыми методами в биологию пришли новые идеи физики и химии, математики и кибернетики. Большую роль в быстром развитии М. г. сыграло перенесение центра тяжести генетических исследований с высших организмов (эукариотов ) — основных объектов классической генетики, на низшие (прокариоты ) — бактерии и многие другие микроорганизмы, а также вирусы. Преимущества использования более простых форм жизни для решения генетических проблем заключаются в быстрой смене поколений у этих форм и возможности изучать одновременно огромное число особей; благодаря этому сильно возрастает разрешающая способность генетического анализа и повышается его точность. Кроме того, сравнительная простота организации бактерий и особенно вирусов облегчает выяснение молекулярной природы генетических явлений. Высказываемое иногда мнение о тождестве М. г. и генетики микроорганизмов ошибочно. М. г. изучает молекулярные основы генетических процессов как у низших, так и у высших организмов и не включает частной генетики прокариотов, занимающей видное место в генетике микроорганизмов.

За свою недолгую историю М. г. достигла значительных успехов, углубив и расширив представления о природе наследственности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развивающееся направление генетики.

Одно из главных достижений М. г. — выяснение химической природы гена. Классическая генетика установила, что все наследственные потенции организмов (их генетическая информация ) определяются дискретными единицами наследственности — генами , локализованными главным образом в хромосомах клеточного ядра, а также в некоторых органеллах цитоплазмы (пластидах , митохондриях и др.). Однако методы классической генетики не позволяли вскрыть химическую природу генов, что было отмечено ещё в 1928 выдающимся советским биологом Н. К. Кольцовым , обосновавшим необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уровне. Первый успех в этом направлении был достигнут при изучении генетической трансформации у бактерий. В 1944 американский учёный О. Т. Эйвери с сотрудниками обнаружил, что наследственные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетически отличному штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетическая трансформация с помощью ДНК была осуществлена у других бактерий, а в последнее время — и у некоторых многоклеточных организмов (цветковые растения, насекомые). Т. о., было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был подтвержден опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса достаточно введения молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все др. компоненты вируса (белки, липиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны. Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состоят из РНК. Выяснение генетической роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых кислот биохимическими, физико-химическими и рентгеноструктурными методами. В 1953 американский учёный Дж. Уотсон и английский учёный Ф. Крик предложили модель структуры ДНК, предположив, что её гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами , расположенными апериодически, но в определённой последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити по правилу комплементарности . Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика. Несколько позже было установлено, что аналогичной структурой обладают молекулы разных РНК, только они большей частью состоят из одной полинуклеотидной нити. Дальнейшие работы, в которых химические и физико-химические методы сочетались с точными генетическими методами (использование разнообразных мутантов , явлений трансдукции , трансформации и т. д.), показали, что разные гены различаются как числом входящих в них пар нуклеотидов (от нескольких десятков до полутора тысяч и более), так и строго определённой для каждого гена последовательностью нуклеотидов, в которой закодирована генетическая информация. (Принципиально сходную химическую структуру имеют и гены, состоящие из РНК, — у вирусов РНК-типа.)

Классическая генетика рассматривала ген как дискретную и неделимую единицу наследственности. Важное значение в пересмотре этой концепции имели работы советского генетика А. С. Серебровского и его учеников, в 1930-х гг. впервые указавших на возможность делимости гена. Однако разрешающая способность методов классической генетики была недостаточной для изучения тонкого строения гена. Только с развитием М. г. удалось в 50—60-х гг. решить эту проблему. Многими работами, проведёнными сначала на бактериях и вирусах, а затем и на многоклеточных организмах, было выяснено, что ген обладает сложным строением: он состоит из десятков или сотен участков — сайтов, способных независимо мутировать и рекомбинировать (см. Мутации , Рекомбинация ). Пределом дробимости гена, а следовательно, и минимальным размером сайта является одна пара нуклеотидов (у вирусов, которые содержат одну нить РНК, — один нуклеотид). Установление тонкого строения генов позволило значительно углубить представление о механизме генетической рекомбинации и закономерностях возникновения генных мутаций, оно способствовало также выяснению механизма функционирования генов.

Данные о химической природе и тонком строении генов позволили разработать методы их выделения. Впервые это было выполнено в 1969 американским учёным Дж. Бэквитом с сотрудниками для одного из генов кишечной палочки. Затем то же удалось осуществить у некоторых высших организмов (земноводных). Ещё более значительный успех М. г. — первый химический синтез гена (кодирующего аланиновую транспортную РНК дрожжей), осуществленный Х. Корана в 1968. Работы в этом направлении ведутся в ряде лабораторий мира. Для внеклеточного синтеза более крупных генов успешно применены новейшие биохимические методы, основанные на явлении т. н. обратной транскрипции (см. ниже). Используя эти методы, С. Спигелмен, Д. Балтимор, П. Ледер и их сотрудники (США) далеко продвинулись по пути искусственного синтеза генов, определяющих структуру белка в молекулах гемоглобина у кролика и человека. Такие же работы проведены в последнее время и в ряде других лабораторий, в том числе и в СССР.

Т. о., М. г. уже выяснила в принципе вопрос о том, как записана и хранится генетическая информация, получаемая потомками от родителей, хотя расшифровка конкретного содержания этой информации для каждого отдельного гена требует ещё огромной работы.

Установление структуры ДНК открыло возможности для экспериментального исследования биосинтеза молекул ДНК — их репликации . Этот процесс лежит в основе передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению, т. е. определяет относительное постоянство генов. Изучение репликации ДНК привело к важному выводу о матричном характере биосинтеза ДНК: для его осуществления необходимо наличие готовой молекулы ДНК, на которой, как на шаблоне (матрице), синтезируются новые молекулы ДНК. При этом двойная спираль ДНК раскручивается, и на каждой её нити синтезируется новая, комплементарная ей нить, так что дочерние молекулы ДНК состоят из одной старой и одной новой нити (полуконсервативный тип репликации). Выделен белок, вызывающий раскручивание двойной спирали ДНК, а также ферменты, осуществляющие биосинтез нуклеотидов и их соединение («сшивание») друг с другом. Несомненно, что в клетке имеются механизмы, регулирующие синтез ДНК. Пути такой регуляции ещё во многом неясны, но очевидно, что она в большой степени определяется генетическими факторами.