molekylærbiologi – Store norske leksikon (original) (raw)
Inni cellekjernen til en celle finner man kromosomene. Figuren viser kromosomene under celledeling. Da har hvert kromosom kopiert seg selv og består av to søsterkromatider som er festet til hverandre i sentromeren. Hver kromatide har en kort p-arm og en lang q-arm. Når cellene ikke deler seg består hvert kromosom kun av én stav.
Kromosomer er DNA-tråder som er viklet opp. DNA-tråden er en dobbeltråd som hovedsakelig består av en «ryggrad» av sukkerfosfat og basene cytosin, guanin, adenin og tymin. Et gen utgjør en bestemt rekkefølge av disse basene.
Skissen viser hvordan genene og arvematerialet er organisert i menneskekroppen.
Proteinsyntese beskriver hvordan oppskrifter i DNA-et omsettes til protein. Først overføres informasjonen fra DNA til budbringer RNA (mRNA) i en prosess som kalles transkripsjon. Informasjonen i budbringer RNA brukes så til å sette sammen en kjede med aminosyrer. Dette kalles translasjonen. Kjeden med aminosyrer vil så formes på en bestemt måte til et protein.
Molekylærbiologi er et fagfelt innenfor biologien som studerer strukturen og funksjonen til biologiske molekyler og makromolekyler, og hvordan molekylene påvirker hverandre og samhandler. Biologiske molekyler er forbindelser som stammer fra og fungerer som byggesteiner i alle levende organismer, som for eksempel deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA).
Faktaboks
Uttale
molekylˈærbiologˈi
Molekylærbiologi handler i all hovedsak om hvordan informasjonen i DNA og RNA blir oversatt til proteiner og hvilke funksjoner disse har. Dette ble formulert som «det sentrale dogmet» av Francis Crick. Prosessen der informasjon oversettes fra DNA til RNA og videre til produksjonen av protein er detaljert beskrevet som proteinsyntesen.
Molekylærbiologien har en del overlapp med fagfelt som biokjemi og genetikk.
Anvendelse
Molekylærbiologien er et svært tverrfaglig fagfelt, og sammenfaller med deler av andre fagfelt som bioinformatikk, biokjemi, genetikk, statistikk, kjemi og cellebiologi. En forsker i molekylærbiologi må kjenne til flere andre fagfelt for å kunne tolke og dele resultatene av forskningen sin, eller eventuelt samarbeide med forskere innenfor disse fagfeltene.
Innenfor legevitenskap er molekylærbiologi viktig for å forstå hva som forårsaker sykdommer, som for eksempel kreft, hjertesykdom og sykdommer i hjernen. Det er som regel nødvendig å forstå hvordan disse sykdommene utvikler seg på detaljnivå for å kunne utvikle nye medisiner og behandlingsmetoder.
Metoder fra molekylærbiologien brukes også for å utføre viktige oppgaver i samfunnet. Innenfor kriminologien brukes molekylærbiologiske metoder til å blant annet å hente ut DNA fra kroppsvæsker, kjent som biologiske spor. Dette kan være avgjørende for å identifisere eller utelukke en potensiell gjerningsperson.
En botaniker bruker molekylærbiologiske metoder i arbeidet med å forstå planters evolusjon og livssyklus, fra et lite frø til et voksent tre. Tilstedeværelse av planter er kritisk for miljøet på jorden da de omdanner karbondioksid (CO2) og lysenergi til oksygen og næringsstoffer. Det er derfor svært relevant å undersøke planters levedyktighet i krevende miljøer som for eksempel under tørke og ved høyere temperaturer som skyldes global oppvarming. Molekylærbiologi kan bidra med å finne tiltak som kan styrke plantenes livsvilkår.
Molekylærbiologiske analysemetoder
Det finnes mange analysemetoder innenfor molekylærbiologien. Noen av de mest sentrale metodene er PCR, molekylær kloning og elektroforese.
Polymerasekjedereaksjon (PCR)
Polymerasekjedereaksjon er en metode for å øke mengden kopier av et spesifikt DNA-fragment. Denne metoden brukes siden det trengs en viss menge DNA-materiale for å kunne studere dette nærmere og eventuelt identifisere rekkefølgen på byggesteinene (basene) i DNA-et. Utviklingen av PCR-metoden var et svært viktig fremskritt for molekylærbiologien. Biokjemikeren Kary B. Mullis ble i 1993 tildelt Nobelprisen i kjemi for sitt arbeid med utviklingen av PCR-metoden.
Molekylær kloning
Molekylær kloning er sentral i forståelsen av sykdomsmekanismer på et molekylært nivå. Denne metoden gjør det mulig å studere effekten av enkelte gener og bidrar slik i identifikasjonen av hvilke gener som er påvirket ved ulike genetiske sykdommer.
I genteknologien brukes molekylær kloning for å endre den genetiske sammensetningen av en organisme. Ved molekylær kloning kan en spesifikk DNA-sekvens, som oftest et gen, hentes ut fra en organisme og overføres til en annen organisme. Dette gjøres uten at den opprinnelige DNA-sekvensen endres. Når det er et gen som hentes ut og flyttes, vil man slik kunne overføre en egenskap fra en organisme til en annen.
Elektroforese
Elektroforese er en metode for å separere DNA, RNA eller protein etter størrelse. Innenfor genetikken brukes elektroforese hyppig for å bestemme størrelsen på et DNA-fragment. Ved bruk av molekyler med kjente størrelser kan man for eksempel identifisere et spesifikt gen.
Historikk
Rosalind Franklin fremstilte et røntgenkrystallografisk bilde av DNA. Dette ble brukt av Francis Crick og James Watson da de beskrev DNA-strukturen. Franklin ble ikke anerkjent i arbeidet som ga Crick og Watson Nobelprisen i fysiologi eller medisin.
Før 1950-årene var det ikke en enhetlig oppfattelse av fagområdet biologi, da det manglet en overordnet organisering av den biologiske kunnskapen som var tilgjengelig. Det var først gjennom utviklingen av evolusjonsbiologien at sammenhengene mellom fagområder som fysiologi, genetikk og cytologi (cellelære) falt på plass. Frem til da var den biologiske kunnskapen svært fragmentert på en måte som kan være vanskelig å forstå i dag når sammenhengene er vel etablerte. Dette skyldtes delvis mangelen på etablerte grunnleggende prinsipper underbygget av målbare eksperimentelle resultater eller «bevis» som forklarte mekanismene bak fenomener som for eksempel celledeling og arv. Slike grunnleggende prinsipper var for lengst etablert i anerkjente disipliner som fysikk og matematikk. Dette førte til at store deler av observasjonene og forsøkene på årsakssammenhenger ble sett på som lite troverdige, og spesielt evolusjonsbiologien ble nedprioritert. Det var først når biologien ble akseptert som et legitimt fagfelt, blant annet som et resultat av matematisk modellering av evolusjonsteorien, at utviklingen av biologiske teknikker og metoder skjøt fart.
Molekylærbiologien som fagfelt stammer hovedsakelig fra den klassiske genetikken og biokjemien, men har klare trekk fra både fysikken og strukturkjemien. Molekylærbiologien oppstod først på begynnelsen av 1900-tallet som en underkategori av biokjemien. Molekylærbiologien utviklet seg til et eget fagfelt i takt med nye vitenskapelige oppdagelser innenfor blant annet biokjemien og genetikken i periodene 1930–1940 og 1950–1960.
Utviklingen av molekylærbiologi henger nøye sammen med oppfinnelse av nye molekylærbiologiske metoder. Molekylærbiologien har særlig to store milepæler bak seg: beskrivelsen av DNA-strukturen og det humane genomprosjektet.
Beskrivelse av DNA-strukturen
Bildet viser et tverrsnitt av en DNA-streng. Bildet ble tatt av Rosalind Franklin med røntgenkrystallografi i 1952. Det var en milepæl i forståelsen av DNA-strukturen.
Fysikeren Francis Crick er sammen med biologen James Watson kjent for å ha beskrevet strukturen til DNA. De to ble i 1962 tildelt Nobelprisen i medisin eller fysiologi for denne beskrivelsen sammen med biofysikeren Maurice Wilkins. Det ble i ettertid oppdaget at Francis Crick hadde blitt vist et røntgenkrystallografi fremstilt av den britiske kjemikeren Rosalind Franklin, som uten hennes samtykke ble fremvist av nettopp Maurice Wilkins.
I molekylærbiologiens sentrale dogme, eller læresetning, beskrives informasjonsflyten fra DNA til RNA, og videre til proteiner. Dette ble først formulert som et dogme av Francis Crick i en forelesning i 1957, og var svært betydningsfull for forståelsen av den genetiske informasjonsflyten. I senere tid har forståelsen av DNA, RNA og proteiner økt betraktelig og det er tydelig at læresetningen gir et sterkt forenklet bilde av virkeligheten.
Det humane genomprosjektet
En viktig milepæl for molekylærbiologien var det humane genomprosjektet som pågikk fra oktober 1990 til april 2003. Det var et verdensomspennende prosjekt som gikk ut på å kartlegge alt genom (DNA) hos mennesket. Prosjektet var avhengig av samarbeid på tvers av ulike fagfelt, og samlet forskere fra hele verden. Tidligere hadde få forskere innenfor fagfeltet biomedisin tiltro til så store prosjekter, som ofte var omtalt som «big science». Denne skepsisen ble snudd til entusiasme i denne perioden.
Det humane genomprosjektet la grunnlaget for en ny måte å arbeide på. Det viste hvordan man kunne finne ny, verdifull informasjon som gavnet det vitenskapelige fellesskapet ved å sette seg et mål om å produsere en spesifikk type data, uten bruk av en spesifikk hypotese. Prosjektet gjorde det mer vanlig å dele data åpent, noe som gjør den tilgjengelig for andre.
I forbindelse med prosjektet ble flere teknologier og analysemetoder utviklet innenfor blant annet biologien og medisinen. Spesielt ble metodene for DNA-sekvensering videreutviklet. Når man sekvenserer et genom bruker man forskjellige analysemetoder for å bestemme rekkefølgen av baseparene i DNA. Den genetiske koden bestemmer hvordan DNA-et leses og oversettes til proteiner. Proteomikken, som blant annet består av å identifisere og karakterisere alle proteiner en organisme kan produsere, har sitt utspring fra denne perioden. Tilsvarende kalles studien av alle gener i en organisme for genomikk.