分子生物學(xué)是生物學(xué)的一個(gè)分支，涉及所有生物的分子基礎(chǔ)，研究大分子如蛋白質(zhì)和DNA以及它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)相互作用的機(jī)制。

這是生命科學(xué)領(lǐng)域具有豐富歷史的一個(gè)領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，已經(jīng)大大影響了疾病的預(yù)防、診斷和治療，幫助科學(xué)家和臨床醫(yī)生更好地了解個(gè)體細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)和功能。

有了這種增加的知識(shí)，我們能夠回答不僅是基本的科學(xué)問題，還有關(guān)人類生理、免疫系統(tǒng)和疾病等更復(fù)雜的問題。

一、分子生物學(xué)的簡要?dú)v史

分子生物學(xué)作為對(duì)生物體遺傳性質(zhì)的本質(zhì)的回答而出現(xiàn)，源于遺傳學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家所面臨的共同問題，它結(jié)合了遺傳學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)的實(shí)驗(yàn)性方面，以回答科學(xué)家以前無法解決的問題。

沒有分子生物學(xué)，基因的機(jī)制——它們究竟是什么以及它們的行為如何——將基本上保持未知。發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子生物學(xué)家們回答了DNA序列如何轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的問題。如果不使用分子生物學(xué)的進(jìn)展所建立的方法，這一發(fā)現(xiàn)是不可能的。

分子生物學(xué)起源于20世紀(jì)30年代和40年代，使其成為一個(gè)相對(duì)較新的科學(xué)領(lǐng)域。洛克菲勒基金會(huì)自然科學(xué)部主任沃倫·韋弗(Warren Weaver)于1938年在該基金會(huì)的一份報(bào)告中首次提出了“分子生物學(xué)”這個(gè)術(shù)語。

這個(gè)領(lǐng)域在50年代和60年代變得重要，隨著詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克(使用羅莎琳德·弗蘭克林的數(shù)據(jù))發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。生物大分子的結(jié)構(gòu)可以使用X射線晶體學(xué)等技術(shù)來確定，正如在這個(gè)案例中所使用的那樣。費(fèi)布斯·萊文(Phoebus Levene)是DNA建模的另一位重要貢獻(xiàn)者，他在1919年提出了“DNA多核苷酸模型”的想法，這是他的生化酵母實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，包括四種類型的核苷酸，使科學(xué)家能夠集中研究信息是如何涉及經(jīng)典遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)和蛋白質(zhì)合成的。這項(xiàng)研究最終導(dǎo)致了我們對(duì)細(xì)胞內(nèi)化學(xué)過程的現(xiàn)代理解。

二、分子生物學(xué)的核心概念，簡化版

基因是遺傳的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈儼水a(chǎn)生蛋白質(zhì)所需的“信息”。這個(gè)基因信息在DNA復(fù)制過程中被復(fù)制，這是DNA解旋和解鏈的過程，然后匹配互補(bǔ)堿基對(duì)以形成兩份與原始DNA相同的復(fù)制品。

然后，使用RNA聚合酶從DNA模板中將這個(gè)DNA轉(zhuǎn)錄成信使RNA(mRNA)。然后，mRNA通過核糖體被翻譯成蛋白質(zhì)。所有這些機(jī)制都是分子生物學(xué)研究的核心，因?yàn)樗鼈冏尶茖W(xué)家更仔細(xì)地研究了編碼在基因中的“信息”以及它是如何被使用的。

為了理解這些機(jī)制，首先需要理解生物大分子的三維形狀。這可以通過許多不同的分子生物學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，包括X射線衍射分析、凝膠電泳、電子顯微鏡以及西方印跡，以及分子克隆和轉(zhuǎn)錄技術(shù)，如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)和逆轉(zhuǎn)錄PCR(RT-PCR)?？茖W(xué)家可以根據(jù)自己的目標(biāo)使用任何數(shù)量的這些分子技術(shù)來更好地理解遺傳過程的分子基礎(chǔ)。

這些方法的使用后來導(dǎo)致了遺傳工程，這是一種重要且不斷發(fā)展的治療方法。遺傳工程涉及利用分子生物學(xué)提供的工具，有針對(duì)性地改變生物體的遺傳構(gòu)成。

由分子生物學(xué)家和生物化學(xué)家開發(fā)的技術(shù)

有時(shí)，生物過程不會(huì)按預(yù)期運(yùn)作，導(dǎo)致健康問題和疾病。分子生物學(xué)為我們了解細(xì)胞內(nèi)生物過程的方式提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并且對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。

由于我們現(xiàn)在理解了這些分子過程是什么以及它們?nèi)绾喂ぷ?，科學(xué)家們已經(jīng)找到了方法，以積極地改變或引入新的通路和過程到細(xì)胞中，以治療受到這些狀況影響的個(gè)體。事實(shí)上，分子生物學(xué)不僅補(bǔ)充了而且改進(jìn)了在其發(fā)展之前已存在的生物化學(xué)和遺傳學(xué)等老應(yīng)用。

三、基因工程

分子生物學(xué)家和生物化學(xué)家為了了解遺傳過程和基因表達(dá)，最終導(dǎo)致了遺傳工程的發(fā)展，該工程涉及在生物體中分離、測序、復(fù)制和修飾/表達(dá)特定基因和核酸。

要在生物體的DNA中識(shí)別要修改/表達(dá)的基因，需要使用限制酶，這是在60年代發(fā)現(xiàn)的一類酶，它們?cè)谔囟ǖ男蛄猩锨懈頓NA，允許科學(xué)家準(zhǔn)確定位和分離他們正在尋找的確切基因。

大約有3,000種不同類型的限制酶，它們?cè)诓煌腄NA序列上切割。一旦被分離，PCR用于擴(kuò)增基因，然后這些擴(kuò)增的序列可以插入質(zhì)粒中，形成重組DNA。這個(gè)質(zhì)?？梢员晦D(zhuǎn)化成細(xì)菌細(xì)胞，隨著它們的分裂和繁殖，它們會(huì)制造出克隆。

通常，質(zhì)粒上會(huì)添加一個(gè)抗生素抗性基因，以在繁殖后識(shí)別含有感興趣基因的細(xì)菌菌落。然后，可以誘導(dǎo)細(xì)菌細(xì)胞表達(dá)插入的基因，產(chǎn)生感興趣的蛋白質(zhì)。

四、基因療法

基因療法是分子生物學(xué)的另一個(gè)領(lǐng)域，旨在修改、增強(qiáng)或抑制生物體中的某些基因以治療或預(yù)防疾病，而不是依賴藥物來支持免疫反應(yīng)和神經(jīng)系統(tǒng)。

這是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，大多數(shù)基因療法甚至還不可用。盡管如此，它確實(shí)顯示出成功地針對(duì)和治療許多令人嚴(yán)重疾患的潛力。

盡管具有潛力，但一些人認(rèn)為編輯基因是有爭議的，因?yàn)榇嬖谖粗亩唐诤烷L期影響，以及操縱一個(gè)人的遺傳構(gòu)成的倫理問題。盡管如此，它有可能幫助開發(fā)針對(duì)當(dāng)前治療無力應(yīng)對(duì)的無法治愈的疾病的拯救性治療方法。

目前，接受基因療法治療的主要方式是通過臨床試驗(yàn)。以目標(biāo)基因?yàn)橹鞯男逻z傳材料被引入一個(gè)人的細(xì)胞中，以幫助細(xì)胞盡管存在缺陷基因，仍能正常運(yùn)作。

也有可能使用一個(gè)完全不同的基因，這個(gè)基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)有助于相同的細(xì)胞功能。為了將材料插入細(xì)胞，需要使用載體來攜帶和傳遞它——直接注射很少奏效。通常使用病毒作為載體，因?yàn)樗鼈兛梢愿腥炯?xì)胞，將遺傳信息傳遞到染色體或細(xì)胞核中。

當(dāng)它們以這種方式用作載體時(shí)，它們被修改以刪除它們的原始基因結(jié)構(gòu)，以防止它們引發(fā)疾病。但是，這種方法存在風(fēng)險(xiǎn)。

病毒可能重新獲得引發(fā)感染的能力，或者人體可能識(shí)別這些載體為外來物質(zhì)，引發(fā)不需要的免疫反應(yīng)。病毒也有可能感染錯(cuò)誤的細(xì)胞類型或在錯(cuò)誤的位置插入基因，這可能導(dǎo)致健康細(xì)胞受損，甚至導(dǎo)致癌癥的形成。

每天都在考慮新的技術(shù)，以最小化這些潛在風(fēng)險(xiǎn)，并安全地將拯救生命的基因編輯工具交付到受影響的細(xì)胞中。

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