# زیست‌شناسی مولکولی

**زیست‌شناسی مولکولی** (به انگلیسی: Molecular biology) شاخه‌ای از زیست‌شناسی است که به مطالعهٔ ساختار، عملکرد و برهم‌کنش‌های مولکولی، به‌ویژه درشت‌مولکول‌های زیستی مانند دی‌ان‌ای، آران‌ای و پروتئینها می‌پردازد و چگونگی تنظیم این برهم‌کنش‌ها را در بستر سلول و جاندار واکاوی می‌کند. این رشته، با تلفیق مفاهیم بنیادین ژنتیک، بیوشیمی و زیست‌شناسی سلولی، سازوکارهای مولکولی پشت پدیده‌های زیستی را آشکار می‌سازد. تمرکز اصلی آن بر جریان اطلاعات ژنتیکی (دگم مرکزی زیست‌شناسی مولکولی) و شبکه‌های تنظیمی است که بیان ژن‌ها و فعالیت پروتئین‌ها را کنترل می‌کنند.

## تاریخچه

اگرچه ریشه‌های تجربی زیست‌شناسی مولکولی به اوایل سدهٔ بیستم و پژوهش‌های توماس هانت مورگان در زمینهٔ وراثت و جهش بازمی‌گردد، اما ظهور آن به‌عنوان یک رشتهٔ مستقل با هم‌گرایی ژنتیک، فیزیک و بیوشیمی در دههٔ ۱۹۳۰ رقم خورد. اصطلاح «زیست‌شناسی مولکولی» را نخستین بار **وارن ویور** (Warren Weaver) در سال ۱۹۳۸ و در گزارشی برای بنیاد راکفلر ابداع کرد. وی معتقد بود که با پیشرفت روش‌های فیزیکی مانند بلورنگاری پرتو ایکس، زیست‌شناسی در آستانهٔ تحولی بنیادین قرار دارد و می‌توان پدیده‌های حیات را در سطح مولکولی توصیف کرد.

نقاط عطف مهم در تکوین زیست‌شناسی مولکولی:

* **۱۹۴۴** – آزمایش اوسوالد ایوری و همکاران نشان داد که دی‌ان‌ای مادهٔ وراثتی است، نه پروتئین.
* **۱۹۵۳** – جیمز واتسون و فرانسیس کریک مدل مارپیچ دوگانهٔ دی‌ان‌ای را ارائه کردند و سازوکار همانندسازی آن را تبیین نمودند.
* **۱۹۵۸** – آزمایش مزلسون-استال همانندسازی نیمه‌حفاظتی دی‌ان‌ای را اثبات کرد.
* **دههٔ ۱۹۶۰** – رمزگشایی کد ژنتیکی و کشف سازوکار رونویسی (ژنتیک) و ترجمه (ژنتیک).
* **دههٔ ۱۹۷۰** – توسعهٔ فناوری دی‌ان‌ای نوترکیب، کشف آنزیم‌های محدودکننده و تولد مهندسی ژنتیک.
* **۱۹۸۳** – اختراع واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) توسط کری مالیس.
* **۲۰۰۳** – تکمیل پروژهٔ ژنوم انسان.

## ارتباط با دیگر علوم زیستی

زیست‌شناسی مولکولی مرز مشترک گسترده‌ای با چندین رشته دارد و ابزارها و پرسش‌های آن‌ها را به‌طور تنگاتنگی در هم آمیخته است:

* **بیوشیمی** – مطالعهٔ شیمی حیات و ساختار/عملکرد مولکول‌های زیستی. زیست‌شناسی مولکولی بر جریان اطلاعات و تنظیم فرایندها متمرکز است، در حالی که بیوشیمی بیشتر بر سینتیک، متابولیسم و ساختار مولکول‌ها تأکید دارد. امروزه این دو رشته چنان در هم تنیده‌اند که بسیاری از دانشگاه‌ها آن‌ها را در برنامه‌ای واحد ارائه می‌دهند.
* **ژنتیک** – علم وراثت و تنوع. زیرشاخهٔ ژنتیک مولکولی مستقیماً بخشی از زیست‌شناسی مولکولی محسوب می‌شود که به مطالعهٔ ساختار، بیان و جهش ژن‌ها در سطح مولکولی می‌پردازد.
* **زیست‌شناسی سلولی** – بررسی ساختار و عملکرد سلول. برهم‌کنش‌های مولکولی درون و بین سلول‌ها (مانند ترارسانی پیام) نقطهٔ تلاقی این دو حوزه است.
* **بیوانفورماتیک** و **آمار زیستی** – با تولید انبوه داده‌های مولکولی (توالی‌یابی، ریزآرایه، پروتئومیکس)، تحلیل رایانه‌ای این داده‌ها بخش جدایی‌ناپذیر زیست‌شناسی مولکولی مدرن شده است.
* **زیست‌شناسی تکوینی** – فرایندهایی مانند تمایز سلولی و ریخت‌زایی در سطح مولکولی (تنظیم بیان ژن، مسیرهای پیام‌رسانی) تحلیل می‌شوند.
* **داروسازی** و **شیمی آلی** – طراحی داروهای هدفمند، شناخت برهم‌کنش دارو-گیرنده و سنتز مولکول‌های زیست‌فعال، پیوند عمیقی با زیست‌شناسی مولکولی دارند.
* **پزشکی مولکولی** – کاربرد مستقیم یافته‌های زیست‌شناسی مولکولی در تشخیص، پیشگیری و درمان بیماری‌ها، از جمله ژن‌درمانی و پزشکی فردمحورارتباط زیست‌شناسی مولکولی با دیگر علوم زیستی

## دگم مرکزی زیست‌شناسی مولکولی

دگم مرکزی زیست‌شناسی مولکولی، چارچوبی مفهومی برای جریان اطلاعات ژنتیکی در سامانه‌های زیستی است. مسیر اصلی عبارت است از:

DNA→RNA→Protein

1. **همانندسازی** – کپی‌برداری از مولکول دی‌ان‌ای برای انتقال اطلاعات به نسل بعد.
2. **رونویسی** – سنتز یک رشتهٔ آران‌ای پیام‌رسان (mRNA) بر اساس الگوی دی‌ان‌ای.
3. **ترجمه** – رمزخوانی توالی mRNA توسط ریبوزوم و ساخت زنجیرهٔ پلی‌پپتیدی.

در کنار این مسیر اصلی، فرایندهایی مانند رونویسی معکوس (ساخت DNA از RNA، مثلاً در رتروویروسها) و تنظیم بیان ژن از طریق عوامل رونویسی، اپی‌ژنتیک و آران‌ای غیرکدکننده نیز از محورهای مهم پژوهش‌های امروزی هستند.

## روش‌های آزمایشگاهی کلیدی

زیست‌شناسی مولکولی مجموعه‌ای غنی از تکنیک‌ها را به کار می‌گیرد که امکان جداسازی، دست‌ورزی و تحلیل مولکول‌های زیستی را فراهم می‌کنند.

### همتاسازی مولکولی (کلونینگ)

همتاسازی مولکولی فرایند وارد کردن یک قطعهٔ DNAی خارجی (اغلب یک ژن) در یک ناقل همانندسازی‌شونده مانند پلاسمید و تکثیر آن در یک سلول میزبان (معمولاً باکتری اشریشیا کلی) است. مراحل اصلی:

1. برش ژن مورد نظر و پلاسمید با آنزیم‌های محدودکننده.
2. اتصال قطعات با دی‌ان‌ای لیگاز.
3. انتقال سازهٔ نوترکیب به درون باکتری از راه تراگشت (Transformation).
4. انتخاب کلونی‌های حامل پلاسمید با استفاده از نشانگر انتخابی (مانند ژن مقاومت به آنتی‌بیوتیک).
5. بیان پروتئین نوترکیب در میزبان و تخلیص آن.

### واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR)

واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) روشی برای تکثیر تصاعدی قطعه‌ای خاص از DNA است. با استفاده از یک دی‌ان‌ای پلیمراز مقاوم به حرارت (معمولاً *Taq*) و یک جفت آغازگر (پرایمر)، چرخه‌های ذوب، اتصال و طویل‌سازی انجام می‌شود تا میلیون‌ها نسخه از توالی هدف تولید شود. انواع کاربردی:

* **RT-PCR** – تلفیق رونویسی معکوس و PCR برای تکثیر توالی‌های RNA.
* **qPCR** (Real-time PCR) – اندازه‌گیری کمّی هم‌زمان تکثیر DNA برای سنجش بیان ژن.

### الکتروفورز

الکتروفورز تکنیکی برای جداسازی مولکول‌های DNA، RNA یا پروتئین بر اساس اندازه و بار در یک میدان الکتریکی و بستر متخلخل (آگارز یا پلی‌آکریل‌آمید). پس از رنگ‌آمیزی، الگوی باندهای قابل مشاهده تحلیل می‌شود.

### لکه‌گذاری (Blotting)

* **لکه‌گذاری ساترن** – تشخیص توالی خاص DNA در نمونه.
* **لکه‌گذاری نورثرن** – تشخیص RNA (بررسی بیان ژن).
* **لکه‌گذاری وسترن** – شناسایی پروتئین با استفاده از پادتن‌های اختصاصی.
* **لکه‌گذاری ایسترن** – تحلیل تغییرات پس از ترجمه.

### توالی‌یابی DNA

از روش سنگر تا فناوری‌های توالی‌یابی نسل جدید (NGS) مانند Illumina و نانوحفره، امکان خواندن دقیق توالی ژنوم و رونوشت‌ها را فراهم کرده‌اند.

### ریزآرایه (Microarray)

تراشه‌های DNA امکان سنجش هم‌زمان سطح بیان هزاران ژن یا شناسایی چندریختی تک‌نوکلئوتیدی (SNP) را می‌دهند.

### روش‌های مطالعه برهم‌کنش‌های مولکولی

* **رسوب‌دهی ایمنی** (Immunoprecipitation) و **ChIP** (رسوب‌دهی ایمنی کروماتین) برای بررسی برهم‌کنش پروتئین-پروتئین و پروتئین-DNA.
* **سنجش دوگانه هیبرید مخمر** برای شناسایی جفت‌های پروتئین متقابل.
* **FRET** و **بلورنگاری پرتو ایکس** برای مطالعهٔ ساختار و پویایی مولکول‌ها.

### ویرایش ژن

سامانهٔ **کریسپر-Cas9** انقلابی در هدف‌گیری دقیق توالی‌های DNA ایجاد کرده است و امکان حذف، درج یا اصلاح ژن‌ها را در طیف گسترده‌ای از جانداران فراهم می‌آورد.

## پزشکی مولکولی

پزشکی مولکولی کاربرد مستقیم زیست‌شناسی مولکولی در عرصهٔ بالینی است. این حوزه شامل:

* **تشخیص مولکولی** – شناسایی جهش‌های بیماری‌زا با PCR، توالی‌یابی یا ریزآرایه.
* **ژن‌درمانی** – اصلاح ژن‌های معیوب از طریق وارد کردن نسخهٔ سالم به سلول‌های بیمار.
* **فارماکوژنومیک** – تنظیم دوز و نوع دارو بر اساس نیمرخ ژنتیکی فرد.
* **پزشکی فردمحور** – انتخاب درمان‌های هدفمند مثل داروهای مهارکنندهٔ تیروزین کیناز در سرطان‌ها بر مبنای نشانگرهای مولکولی تومور.

## جستارهای وابسته

* زیست شناسی
* دگم مرکزی زیست‌شناسی مولکولی
* کد ژنتیکی
* ژنوم
* مهندسی مولکولی
* پروتئوم
* مهندسی ژنتیک
* بیوانفورماتیک
* زیست‌فناوری
* مدل‌سازی مولکولی

## منابع

## پیوند به بیرون

* چگونگی استخراج DNA از هر چیز زنده - آزمایشگاه مجازی مرکز علمی فراگیری ژنتیک دانشگاه یوتا -
* مرکز ملی اطلاعات زیست‌فناوری (NCBI)
* مؤسسهٔ بیوانفورماتیک اروپا