ביולוגיה מולקולרית
היסטוריה

התחום נוסד בשנות השלושים של המאה ה-20, והמושג "ביולוגיה מולקולרית" נטבע בידי וורן ויבר ב-1938. ויבר היה מנהל מחלקת מדעי הטבע במכון רוקפלר, והוא חשב כי הביולוגיה צפויה לעבור שינוי משמעותי בעקבות התקדמות משמעותית בתחום הקריסטלוגרפיה. לפיכך הוא העביר תקציבים רבים לתחומים הביולוגיים.
בתחילת המאה ה-20 התפרסמו כתביו של גרגור מנדל, ועקרונות התורשה הבסיסיים נעשו ידועים. בשלב זה כבר הבינו 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 סברו כי הגנים מורכבים מחלבונים פעילים.
הראשון להציג את הקשר בין גנים לחלבונים היה רופא בריטי בשם ארצ'יבלד גארוד. 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, בהם עשו שימוש בשיטות הן מתחום הגנטיקה והן מתחום הביוכימיה, הם חשפו תאים לקרינה וכתוצאה מכך 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 אחראים ליצירת חלבונים. באופן מעניין, שני החוקרים החליפו את השימוש בזבוב הפירות דרוזופילה באורגניזם מודל מתאים יותר, הפטרייה החד תאית Neurospora; השימוש באורגניזמי מודל חדשים הפך למוטיב חוזר בהתפתחות הענף של ביולוגיה מולקולרית.
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 האמינו 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. ההתפתחות בתחום זה האיצה התקדמות בתחומי 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. נוצרו תרופות בקנה מידה המוני על ידי שימוש בפטריות, חיידקים ותאי כליה של עכברים. הגנום האנושי רוצף ופורסם. למדנו לשבט בעלי חיים שלמים. פותחו טיפולים רפואיים משתנים המתאימים את עצמם ל-DNA האישי של כל מטופל ומטופל. כיום חיסונים נוצרים במהירות שיא, וניתן רק לדמיין לאן התחום ימשיך להתפתח.