ביולוגיה מולקולרית

ביולוגיה מולקולרית היא ענף של הביולוגיה המתמקד במחקר המישור המולקולרי. תחום זה מכיל כלי מחקר טכניים רבים, גבולותיו אינם מוגדרים היטב והוא חופף בחלקו לתחומים אחרים בביולוגיה, בעיקר גנטיקה וביוכימיה. ביולוגיה מולקולרית ממוקדת בקשרי הגומלין בין המערכות השונות של התא, כולל הקשרים בין ה-DNA, ה-RNA והסינתזה של החלבונים, והבנה כיצד קשרים אלה מווּסתים. התחום נוסד בשנות החמישים והוא אחד מתחומי המחקר החדשים בביולוגיה כמו גם אחד המרכזיים בה.
ויליאם אסטבורי, מאבות התחום, תיאר ב-1961 בכתב העת Nature את הביולוגיה המולקולרית כך:
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 עם זאת להבין את היצירה והפונקציה [של המולקולות].
—

היסטוריה

התחום נוסד בשנות השלושים, והמושג "ביולוגיה מולקולרית" נטבע בידי וורן ויבר ב-1938. ויבר היה מנהל מחלקת מדעי הטבע במכון רוקפלר, והוא חשב כי הביולוגיה הולכת לעבור שינוי משמעותי בעקבות התקדמות משמעותית בתחום הקריסטלוגרפיה. לפיכך הוא העביר תקציבים רבים לתחומים הביולוגיים.
ב-1940 ג'ורג' וולס בידל ואדוארד לורי טטום הציגו את הקשר בין גנים לחלבונים. בניסויים שערכו שבהם עשו שימוש בשיטות הן מתחום הגנטיקה והן מתחום הביוכימיה, החליפו את השימוש בזבוב הפירות דרוזופילה באורגניזם מודל מתאים יותר, הפטרייה החד תאית Neurospora; השימוש באורגניזמי מודל חדשים הייתה מוטיב חוזר בהתפתחות הביולוגיה המולקולרית. ב-1944 הראה אוסוולד אברי מאוניברסיטת רוקפלר כי גנים עשויים מ-DNA. ב-1952 הוכיחו אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס כי החומר התורשתי הוא DNA, בניסוי שנודע כניסוי הרשי-צ'ייס שבו 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-1961 הניחו פרנסואה ז'קוב וז'אק מונו כי קיים מתווך בין DNA לתוצר החלבוני, שלו קראו RNA שליח. במהלך שנות השישים נקבע הקשר בין המידע המצוי ב-DNA ולמבנה החלבונים: הקוד הגנטי, המגדיר מיפוי בין רצף נוקלאוטידים ב-DNA (קודונים) לבין חומצות אמינו המשמשות אבן בניין לחלבונים. בתחילת שנות השישים הראו ז'קוב ומונו גם כי חלבונים מסוימים, חלבונים מווסתים, מבקרים את השעתוק של גנים ומשפיעים על ביטוים. 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.

טכניקות של ביולוגיה מולקולרית

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

Expression Cloning

אחת מהטכניקות הבסיסיות ביותר בביולוגיה מולקולרית, המשמשת למחקר של פונקציה של חלבונים, היא Expression Cloning. בטכניקה זו, הקוד ב-DNA 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 ה-DNA לתאי חיידקים נקראת טרנספורמציה, וניתן לבצעה בכמה שיטות, כולל אלקטרופורציה, מיקרו-הזרקה ובאופן כימי. הכנסה של DNA לתאים אוקריוטיים, כמו תאי חיות, קרויה טרנספקציה. יש כמה טכניקות אפשריות לעשות זאת. ניתן גם להחדיר את ה-DNA בעזרת נגיפים כנושאי ה-DNA. במקרים כאלה, הטכניקה נקראת טרנסדוקציה ויראלית.
בכל מקרה, הקידוד של ה-DNA 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.

תגובת שרשרת פולימראזית (PCR)

תגובת שרשרת פולימראזית (PCR) היא טכניקה רב תכליתית לשכפול DNA. באופן כללי, PCR מאפשר לשכפל מקטע DNA 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 ב-DNA.

אלקטרופורזה בג'ל

אלקטרופורזה בג'ל היא אחד המכשירים העיקריים של הביולוגיה המולקולרית. העקרון הבסיסי כאן הוא שאת ה-DNA, ה-RNA, והחלבונים ניתן להפריד בעזרת שדה חשמלי. על ידי ג'לים שונים, ניתן להפריד את המולקולות על פי גודלן, או על פי המטען החשמלי שלהן, כשבדרך כלל ה-DNA שטעון שלילית ירוץ בג'ל לקצה החיובי וכך יופרד בבנדים על פי גודל.

עמודת גודל ואימונוכימיה

ניתן ליצור נוגדנים לרוב החלבונים על ידי הזרקת כמויות קטנות של החלבון לתוך חיות כמו עכבר, ארנב, כבש, סוס 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.

מוטגנזה מכוונת

מוטגנזה מכוונת היא טכניקה שבה מוטציה נגרמת באתר מוגדר במולקולת DNA.

ספריית הפחתה

ספריית הפחתה היא שיטה בביולוגיה מולקולרית בה ניתן לבחון 'עלייה' או 'ירידה' (תלוי לאיזה כיוון עושים אותה) של גנים ספציפיים כתגובה לשינוי מסוים כגון: טמפרטורה, חומרים שונים, ותנאי סביבה קיצוניים.