בתחילת המאה ה-20 התפרסמו כתביו של גרגור מנדל, ועקרונות התורשה הבסיסיים התוודעו. בשלב זה נודע כי תכונות תלויות ב'גנים', אך עוד לא היה ברור מה הם בדיוק אותם גנים, וכיצד הם משפיעים על תכונות מסוימות. היה ידוע בשלב זה כי תאים מכילים חלבונים, סוכרים, שומנים, DNA ו-RNA. כמו כן, נראה היה כי חלבונים מציגים את השונות הגדולה ביותר מבחינה תפקודית, והם מסוגלים לפעול כאנזימים אשר מתווכים פעילויות תאיות, לכן בשלב זה נחשד כי הגנים מורכבים מחלבונים פעילים.
הראשון להציג את הקשר בין גנים לחלבונים היה רופא בריטי בשם . ד"ר גארוד טיפל בחולים אשר סבלו ממחלה לא-קטלנית בשם אלקפטונאוריאה, אשר צובעת את השתן בשחור. הצבע השחור נוצר עקב המולקולה אלקפטון (Alkapton), שבחולים אלו איננה מתפרקת לתוצר חסר צבע. גארוד הציע כי הסיבה למחלה הוא אנזים מפרק-אלקפטון פגום מלידה, כלומר, הוא הציע כי בקרב החולים ישנו חלבון ספציפי שאינו מבצע את תפקידו. כמו כן, גארוד שם לב כי המחלה עוברת בהורשה רצסיבית על פי הסבריו של מנדל, וכך התפרסמה ההצעה הראשונה הקושרת בין גנים לבין חלבונים.
ב-1940 ג'ורג' וולס בידל ואדוארד לורי טאטום הוכיחו למעלה מכל ספק את השערתו של גארוד, ובכך ביססו את הקשר בין גנים לחלבונים. בניסויים שערכו שבהם עשו שימוש בשיטות הן מתחום הגנטיקה והן מתחום הביוכימיה, כאשר חשפו תאים לקרינה, נוצרו חלבונים ספציפיים אשר היו תקולים לכל אורך חיי האורגניזם. כך ניתן היה להסיק כי חלבונים נוצרים על סמך גנים, והגנים עצמם רגישים לקרינה. בידל וטאטום טבעו את הסלוגן הידוע: "One gene - one enzyme". כיום ידוע כי סלוגן זה איננו נכון. עוד לא היה ברור ממה הגנים עצמם מורכבים, רק היה ידוע כי הגנים אחראיים ליצירת חלבונים. באופן מעניין, שני החוקרים החליפו את השימוש בזבוב הפירות דרוזופילה באורגניזם מודל מתאים יותר, הפטרייה החד תאית ""; השימוש באורגניזמי מודל חדשים הפך למוטיב חוזר בהתפתחות הביולוגיה המולקולרית.
ב-1944 הראה אוסוולד אברי מאוניברסיטת רוקפלר כי גנים עשויים מ-DNA. עבודתו לא התקבלה באופן גורף, ורק ב-1952 הוכיחו אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס כי החומר התורשתי הוא אכן DNA (ולא חלבונים כפי שחשבו בשלב מוקדם יותר), בניסוי שנודע כניסוי הרשי-צ'ייס. בניסוי זה הראו כי הדבקה של חיידקים מבקטריופאג' (נגיף הפוגע בחיידקים) היא על ידי DNA ולא על ידי חלבונים.
ב-1953 ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק פענחו את המבנה הדו גדילי של ה-DNA, בין היתר בהסתמך על תוצאות השתברות קרני ה-X במחקר שערכו רוזלינד פרנקלין, מוריס וילקינס, וריימונד גוסלינג. ב-1958 ניסח קריק לראשונה את הַדּוֹגְמָה הַמֶּרְכָּזִית של הביולוגיה המולקולרית, לפיה מידע ביולוגי נשמר ב-DNA, והוא מתבטא כחלבון. ברגע שנוצר החלבון, לא ניתן לנוע בחזרה למקור המידע.
ב-1961 הניחו פרנסואה ז'קוב וז'אק מונו כי קיים מתווך בין DNA לתוצר החלבוני, שלו קראו RNA שליח (mRNA). כמו כן, במהלך שנות השישים נקבע הקשר בין המידע המצוי ב-DNA ולמבנה החלבונים: הקוד הגנטי, אשר נשמר כרצף נוקלאוטידים ב-DNA, מגדיר את סדר חומצות אמינו בחלבונים. כל שלשה של נוקלאוטידים ב-DNA נקראת קודון, והיא מקודדת לחומצה אמינית אחת.
בתחילת שנות השישים הראו ז'קוב ומונו גם כי חלבונים מסוימים, חלבונים מווסתים, מבקרים את השעתוק של גנים ומשפיעים על ביטוים. למעשה, עבודתם הבהירה כי ישנם מקבצים של גנים אשר מתבטאים יחדיו, ופעילותם קשורה זה בזה. בשנת 1965 זכו ז'קוב, מונו ואנדרה לווף, המנהל של השניים במכון פסטר ושותפם לעבודה, בפרס נובל.
ב-1971 התגלה אנזים ההגבלה הראשון, HindII, גילוי שעליו זכו ב-1978 ורנר ארבר, דניאל נתנס והמילטון סמית' בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה. אנזימי הגבלה הם כלי בסיסי וחיוני בתחום ההנדסה הגנטית, מכיוון שאנזימים אלו חותכים את ה-DNA באתרים ספציפיים.
מאז הופיעו להם חידושים רבים, והביולוגיה המולקולרית התבססה כאבן יסוד בכל המדעים הביולוגיים למיניהם. תחום זה האיץ תחומי מחקר נוספים, כגון גנטיקה, אימונולוגיה, וירולוגיה, אמבריולוגיה וחקר הסרטן. השימוש ב-DNA מאורגניזם אחד, והחדרתו לאורגניזם שני, שינתה את פני הכלכלה, בדגש על תעשיית המזון והפארמה. המזון עבר הנדסה גנטית כך שיהיה פורה, מזין וטעים יותר. תרופות נוצרות בקנה מידה המוני על ידי שימוש בפטריות, חיידקים ותאי כליה של עכברים. הגנום האנושי רוצף ופורסם. למדנו לשבט בעלי חיים שלמים. טיפולים רפואיים משתנים ומתאימים את עצמם ל-DNA האישי של כל מטופל ומטופל. חיסונים נוצרים במהירות שיא, וניתן רק לדמיין לאן התחום ימשיך להתפתח.
מבנה ה-DNA.
נוקלאוטידים - חומצות גרעין.
מולקולות ה-DNA הן שרשראות ארוכות אשר מורכבות מאבני בניין פשוטות יחסית הנקראות "נוקלאוטידים" (Nucleotides), או "חומצות גרעין". כל נוקלאוטיד בעצמו מורכב משלושה מרכיבים:
הבסיסים החנקניים הם מבנים טבעתיים על בסיס חנקן ופחמן. ישנים בסיסים אשר בנויים מטבעת בודדה, וישנם אלו אשר מורכבים משתי טבעות המאוחות זו לזו. הטבעות הבודדות נקראות פירימידינים (Pyrimidines), ואילו הטבעות הכפולות נקראות פורינים (Purines).
מבין הפורינים הנפוצים ניתן למנות את אדנין (A) ואת גואנין (G). מבין הפירימידנים הנפוצים ניתן למנות את ציטוזין (C), תימין (T) ואת אורציל (U).
הסוכר בנוקלאוטידים הוא פנטוז, כלומר, סוכר בעל חמישה פחמנים. ארבעה מתוך חמשת הפחמנים הללו מעורבים בפעילויות חשובות למבנה ולתפקוד ה-DNA:
אף על פי שניתן לקשור מספר קבוצות פוספט, בשרשרת ה-DNA ישנה רק קבוצת פוספט בודדת. קבוצות הפוספט טעונות במטען שלילי, ולכן ה-DNA (וכך גם ה-RNA) הם בעלי פעילות חשמלית. תכונה זו מנוצלת הן על ידי התאים, ומסייעת לקיפול ה-DNA, אבל גם באופן מלאכותי במעבדות ובמרפאות. לדוגמה, במהלך משבר ה-COVID-19, יוצרו באופן מלאכותי חיסונים על בסיס RNA על ידי החברות המסחריות פייזר ומודרנה. ה-RNA, בהתאם לדוגמה המרכזית, מקודד לחלבון ויראלי אשר יזוהה על ידי מערכת החיסון. ה-RNA עצמו טעון שלילית, ובשביל לשנע אותו, ולשמור עליו, הוא הוחדר לתוך מעטפת שומנית אשר מכילה גם חלקיקים טעונים חיובית. מעטפת שכזו נקראת ליפופלקס (Lipoplex). דוגמה נוספת לשימוש במטענים חיוביים לטובת אריזת נוקלאוטידים היא אריזת גנום ויראלי. בווירוסים, הנוקלאוטידים ממוקמים בתוך קופסה חלבונית בשם קפסיד (Capsid). פעמים רבות ישנם מטענים חיוביים בחלקו הפנימי של הקפסיד, כפי שניתן לראות למשל בווירוס ה-TMV.
חומצות הגרעין נקשרות זו לזו באופן סדרתי, כך שנוצרת שרשרת ארוכה של נוקלאוטידים. הקשר נוצר על ידי קבוצות הסוכר והפוספט של הנוקלאוטידים. פחמן C'3 קושר קבוצת פוספט, אשר מחוברת מבעוד מועד לפחמן C'5 של הנוקלאוטיד הבא בשרשרת, כפי שניתן לראות בציור.
ה-DNA לא נותר חד-גדילי בתאים חיים, אלא הוא נמצא בתצורה דו-גדילי. הגדילים קשורים זה לזה בעזרת קשרי מימן. באופן שגרתי, פורין בגדיל אחד יקשור בקשרי מימן פירימידין בגדיל המשלים, ולהפך. על פי רוב הפורין A קושר את הפירימידין T, ואילו הפורין G קושר את הפירימידין C. ב-RNA, הפורין A קושר את הפירימידין U במקום הפירימידין T. עובדה זו לפיה ישנם זוגות קבועים - G:C ו-A:T אמנם נפוצה, אך לא אבסולוטית. לעיתים פגמים ב-DNA מובילים לקשרים לא-שגרתיים בין בסיסי הגנום.
זוגות בסיסים אלו נקראים גם 'זוגות בסיסים ווטסון-קריק', על שם מפצחי מבנה ה-DNA: פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון.
מבנה ה-RNA.
מולקולות ה-RNA הן דומות באופן תהומי למולקולות ה-DNA. עם זאת, ישנם שלושה הבדלים מרכזיים בין DNA לבין RNA:
ה-RNA היא מולקולה גמישה למדי, אשר מסוגלת ליצור מגוון רחב של מבנים תלת ממדיים. עם זאת, יציבותה של מולקולה זו היא נמוכה. מולקולת ה-RNA נוטה להתפרק בתהליך של . המנגנון לפירוק זה נובע מדה-פרוטונציה ספונטנית של 2'-OH, ובעקבות זאת תקיפה נוקלאופילית של הפוספט על ידי יון האוקסיד.
בתאים חיים, ה-RNA מיוצב על ידי חלבונים, מה שמאריך את אורך חייו.
אריזת הגנום.
כל תא אנושי מכיל כ-2 מטרים של גדילי DNA. עם זאת, קוטר תא אנושי ממוצע עומד על כ-15 מיקרון. כיצד ניתן לגשר על הפער בין אורך הגנום, לבין קוטר התא?
ראשית כל, ה-DNA הדו-גדילי נארז על גבי מבנים חלבוניים הנקראים היסטונים. ישנם היסטוני ליבה, אשר מורכבים משמונה חלבונים - H2A, H2B, H3 ו-H4 (ישנם שני עותקים לכל חלבון). בנוסף לכך ישנו חלבון היסטוני נוסף בשם H1, אשר תפקידו הוא לארוז מקבצי היסטוני ליבה.
חלבוני ארכיטקטורה גבוהים כגון , שאינם היסטונים, מסוגלים לקפל עוד יותר את ה-DNA יחד עם ההיסטונים הצמודים אליו.
מכלול ה-DNA וחלבוני האריזה השונים נקרא כרומטין. בהתאם לצורך, ניתן לווסת את קומפקטיות אריזת הכרומטין. כאשר התא מעוניין להשתמש במקטעים מסוימים מן הגנום, אתרים אלו יוותרו פתוחים. לעומת זאת, אחת הדרכים בה התא מסוגל להשתיק גנים היא על ידי קיפול דחוס במיוחד של הגנום, כך שמקטע זה לא יהיה נגיש לשאר חלבוני התא.
בעת חלוקת התא, ה-DNA נמצא בתצורתו הקומפקטית ביותר.
אריזת גנום ויראלי.
בכל הווירוסים, ישנה מגבלה חריפה על "כלכלת המידע" ואריזת הגנום. הכוונה ב"כלכלת המידע" היא שהמידע המקודד בגנום הויראלי צריך להכיל את כל החלבונים הדרושים לקיום הויריון. באופן מפתיע, דרישה זו איננה טריוויאלית כלל וכלל, והתפתחו מנגנונים רבים למען מעקף מגבלה זו.
למען האינטואיטיביות, נבחן דוגמה: