ביולוגיה מולקולרית

תהליך ייצור החלבונים בתא לפי תבנית ה-DNA מכונה "הדוֹגמה הבסיסית של הביולוגיה המולקולרית"

ביולוגיה מולקולרית היא המחקר של הביולוגיה ברמה המולקולרית. תחום זה חופף בחלקו לתחומים אחרים בביולוגיה, בעיקר גנטיקה וביוכימיה. ביולוגיה מולקולרית עוסקת בעיקר בקשרי הגומלין בין המערכות השונות של התא, כולל הקשרים בין ה-DNA, ה-RNA והסינתזה של החלבונים, והבנה כיצד קשרים אלה מווּסתים.

וו. ט. אסטבורי מתאר בכתב העת Nature את הביולוגיה המולקולרית:

"יותר גישה מאשר טכניקה, גישה מנקודת המבט של מה שקרוי מדעים בסיסיים, כאשר הרעיון המרכזי הוא לחפש מתחת לתופעות הגדולות של הביולוגיה הקלאסית, להבנת הגורמים שלהן ברמה המולקולרית. ביולוגיה זו מעוניינת בעיקר בצורתן של מולקולות ביולוגיות, והיא בעיקר תלת-ממדית ומבנית, אף כי היא לא רק שיכלול של המורפולוגיה (תורת הצורה) – עליה יחד עם זאת להבין את היצירה והפונקציה [של המולקולות]".

[עריכה] היסטוריה

התחום נוסד בשנות השלושים, והמושג "ביולוגיה מולקולרית" נטבע בידיי וורן ויבר ב-1938. ויבר היה מנהל מדעי הטבע במכון רוקפלר, והוא חשב כי הביולוגיה הולכת לעבור שינוי משמעותי בשל התקדמות משמעותית בתחום הקריסטלוגרפיה. לפיכך הוא העביר תקציבים רבים לתחומים הביולוגיים.

[עריכה] היחס למדעים ביולוגיים מולקולריים אחרים

חוקרים בביולוגיה מולקולרית משתמשים בטכניקות מסוימות, השייכות למדע זה דווקא, אך משתמשים יותר ויותר גם בטכניקות ורעיונות מגנטיקה, ביוכימיה וביופיזיקה. אין קו ברור שמבדיל בין דיסציפלינות אלה, כפי שהיה בעבר. באופן סכמטי, ניתן להבין את ההבדלים בין התחומים כך:

ביוכימיה היא המחקר של החומרים והתהליכים שקורים בתוך יצורים חיים.
גנטיקה היא המחקר של ההשפעה של הבדלים גנטיים על אורגניזמים. לעתים ניתן למצוא את הגן היחיד שגורם להשפעות אלה, אך לפעמים העניין מסובך יותר.

ביולוגיה מולקולרית היא המחקר של היסודות המולקולריים של התהליכים של שכפול, שעתוק ותרגום של החומר התורשתי. הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית היא שהחומר הגנטי מועתק לרנ"א ומשם מתורגם לחלבון. למרות שזוהי תמונה פשטנית ביותר של הביולוגיה המולקולרית, זו נקודת התחלה טובה להבנת התחום. בזמן האחרון חוקרים מגלים תפקידים חדשים לרנ"א, שעשויים לשנות את ההבנה הזו.

הרבה מהעבודה הנעשית בביולוגיה מולקולרית היא כמותית, ובתקופה האחרונה חלק גדול מהמחקר נעשה בשיתוף של מדעי המחשב, בתחומי הביואינפורמטיקה והביולוגיה החישובית. מתחילת העשור, המחקר של מבנה ופונקציית הגן, גנטיקה מולקולרית, היה תת-התחום החשוב ביותר בביולוגיה מולקולרית.

תחומים אחרים בביולוגיה מתמקדים במולקולות במידה גוברת והולכת, או ישירות במחקר של האינטארקציות של המולקולות כמו בביולוגיה של התא או ביולוגיה התפתחותית, או באופן עקיף, למשל כאשר משתמשים בטכניקות של הביולוגיה המולקולרית על מנת להבין את האפיונים ההיסטוריים של אוכלוסיות או מינים, כגון בתחומים של ביולוגיה אבולוציונית, כמו גנטיקה של האוכלוסייה ופילוגנטיקה. יש גם מסורת רבת שנים של מחקר של ביומולקולות בתחום הביופיזיקה.

[עריכה] טכניקות של ביולוגיה מולקולרית

מאז שנות החמישים המאוחרות, ביולוגים מולקולריים למדו לאפיין, לבודד ולתפעל את המרכיבים המולקולריים של תאים ואורגניזמים. מרכיבים אלו כוללים את הדנ"א, ה"מחסן" של המידע הגנטי, והרנ"א, מולקולה הדומה לדנ"א, הפועלת כעותק של הדנ"א, וכן יש לה פונקציות מבניות ואנזימטיות ממשיות, וכן חלק בתהליך התרגום; וחלבונים, המולקולה המבנית והאנזימטית העיקרית בתא.

[עריכה] Expression Cloning

אחת מהטכניקות הבסיסיות ביותר בביולוגיה מולקולרית, המשמשת למחקר של פונקציה של חלבונים, היא Expression Cloning. בטכניקה זו, הקוד בדנ"א עבור חלבון מסוים מועתק (בעזרת אנזימים שונים) לפלסמיד (הידוע כ-Expression Vector). לפלסמיד זה עשויים להיות אלמנטים מיוחדים, שעוזרים לייצור החלבון המסוים הזה, וכן עשויים להיות לו סמנים אנטיביוטיים, שעוזרים לעקוב אחרי הפלסמיד.

את הפלסמיד הזה אפשר להחדיר לתאים של חיידקים או של חיות. הכנסה של הדנ"א לתאי חיידקים נקראת טרנספורמציה, וניתן לבצעה בכמה שיטות, כולל אלקטרופורציה, מיקרו-הזרקה ובאופן כימי. הכנסה של דנ"א לתאים אוקריוטיים, כמו תאי חיות, קרויה טרנספיקציה. יש כמה טכניקות אפשריות לעשות זאת. ניתן גם להחדיר את הדנ"א בעזרת נגיפים כנושאי הדנ"א. במקרים כאלה, הטכניקה נקראת טרנסדוקציה ויראלית.

בכל מקרה, הקידוד של הדנ"א עבור החלבון המסוים שאנו מעוניינים בו נמצא עכשיו בתוך התא, וניתן לייצר את החלבון. מגוון שיטות קיימות על מנת להבטיח את ייצור החלבון בכמויות גדולות, ואז ניתן להפיק את החלבון מהתא. ניתן לבדוק את החלבון לפעילות אנזימית תחת מגוון סיטואציות, או שאפשר לגבש את החלבון על מנת שניתן יהיה לבדוק את המבנה הרביעוני שלו. בתעשיית התרופות, ניתן לבדוק את התועלת של תרופות חדשות כנגד החלבון הזה.

[עריכה] תגובת שרשרת פולימראזית (PCR)

תגובת שרשרת פולימראזית (PCR) היא טכניקה רב תכליתית לשכפול דנ"א. באופן כללי, PCR מאפשר לשכפל מקטע דנ"א מסוים מיליוני פעמים, או לשנות אותו בצורה שנקבעה מראש. לדוגמה, ניתן להשתמש ב-PCR על מנת ליצור אתרים לאנזימי הגבלה, או על מנת לגרום למוטציה בבסיסים מסוימים בדנ"א.

[עריכה] אלקטרופורזה בג'ל

אלקטרופורזה בג'ל היא אחד המכשירים העיקריים של הביולוגיה המולקולרית. העקרון הבסיסי כאן הוא שאת הדנ"א, הרנ"א, והחלבונים ניתן להפריד בעזרת שדה חשמלי. על ידי ג'לים שונים, ניתן להפריד את המולקולות על פי גודלן, או על פי המטען החשמלי שלהן.

[עריכה] עמודת גודל ואימונוכימיה

ניתן ליצור נוגדנים לרוב החלבונים על ידי הזרקת כמויות קטנות של החלבון לתוך חיות כמו עכבר, ארנב, כבש או חמור. בנוגדנים אלה ניתן להשתמש במגוון שיטות.

בעמודת גודל, החלבונים מופרדים לפי גודלם, בתוך ג'ל שנמצא בין שני לוחות זכוכית. שיטה זו קרויה SDS-Page. החלבונים בג'ל מועברים לאחר מכן לקרום תומך כלשהו. לקרום ניתן להחדיר מיהולים של נוגדנים. ניתן לצפות בנוגדנים שנקשרים לחלבון שאנו מעוניינים בו במגוון שיטות, כגון זהירה כימית או רדיואקטיביות.

שימוש נוסף של נוגדנים הוא טיהור חלבונים. נוגדנים לחלבון מסוים מיוצרים ואז מחוברים ל"חרוזים". לאחר שהנוגדן יתחבר לחלבון, ניתן להפריד את קבוצת הנוגדן-חלבון באמצעות צנטריפוגה. בתהליך הסרכוז, החרוזים, יחד עם הנוגדנים, יפרדו משאר התמיסה וכתוצאה מכך יצטרפו אליהם גם החלבונים. שאר החלבונים ישארו בתמיסה. אפשרות אחרת היא לחבר את החלבונים לחרוזים שמתרכבים לתווך תומך כלשהו, ואז לשטוף מהתמיסה את שאר החלבונים, כך שרק אלה שמקושרים לחרוזים ישארו. אחר כך מוציאים את החלבון מהתווך, בדרך כלל בעזרת הוספת תמיסה בעלת ריכוז מלח גבוה, או על ידי שינוי של ה-pH של התמיסה.