Кіріспе

Молекулалық биологияның тарихы 1930 жылдары әртүрлі, бұрынша бөлек болған биологиялық және физикалық ғылымдардың – биохимия, генетика, микробиология, вирусология және физиканың – тоғысуымен басталады. Өмірдің ең негізгі деңгейін түсіну ниетімен көптеген физиктер мен химиктер де молекулалық биология болып қалыптасатын салаға қызығушылық танытты. Қазіргі заманғы түсінігінде молекулалық биология, оларды тудыратын макромолекулалық қасиеттерден бастап өмір құбылыстарын түсіндіруге ұмтылады. Молекулалық биологтың ерекше назарында екі түрлі макромолекулалар тобы тұр: 1) оның ішінде ең белгілісі – гендердің құрамына кіретін дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК), және 2) тірі организмдердің активті факторлары – ақуыздар. Сондықтан молекулалық биологияның бір анықтамасы – осы екі типті макромолекулалардың құрылымын, функциясын және өзара байланысын сипаттау болып табылады. Бұл салыстырмалы түрде шектеулі анықтама, бізге «молекулалық революция» деп аталатын оқиғаның күнін, немесе кем дегенде оның ең маңызды даму кезеңдерінің хронологиясын анықтауға көмектеседі.

Жалпы шолу

Оның алғашқы көріністерінде молекулалық биология – бұл атауды 1938 жылы Рокфеллер қорының Уоррен Уивер берді – өмірдің физикалық және химиялық түсіндірмелерін табу еді, бірақ толыққанды ғылым саласы емес. 1910 жылдары Мендельдің хромосомалық тұқым қуалау теориясының пайда болуы және 1920 жылдары атомдық теорияның және кванттық механиканың дамуы осындай түсіндірмелерге қол жеткізуге мүмкіндік берді. Уивер және басқалар биология, химия және физиканың тоғысқан жеріндегі зерттеулерді қолдады (және қаржылады), ал Нильс Бор және Эрвин Шредингер сияқты көрнекті физиктер биологиялық мәселелерге назар аударды. Дегенмен, 1930 және 1940 жылдары қандай да бір салалық зерттеулер нәтеже беретіні белгісіз болды; коллоидтық химия, биофизика, сәулелік биология, кристаллография және басқа да жаңа салалардағы жұмыстар перспективалы көрінді. 1940 жылы Джордж Бидл мен Эдвард Татум гендер мен ақуыздар арасындағы тікелей байланысты көрсетті. Генетиканы биохимиямен байланыстыратын тәжірибелері барысында олар генетиканың негізгі нысаны Дрозофиладан гөжіррек модельді организмге, яғни нейроспора саңырауқұлағына ауысты; жаңа модельді организмдерді құру және пайдалану молекулалық биологияның дамуындағы маңызды тақырыпқа айналды. 1944 жылы Нью-Йорктегі Рокфеллер институтында жұмыс істейтін Освальд Эвери гендер ДНҚ-дан тұратынын көрсетті (Авери-МакЛеод-Маккарти экспериментіне қараңыз). 1952 жылы Альфред Херши мен Марта Чейз бактерияларды жұқтыратын вирустың (бактериофагтың) генетикалық материалы ДНҚ-дан тұратынын растады (Херши-Чейз экспериментіне қараңыз). 1953 жылы Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик Розалинд Франклиннің зерттеулеріне сүйене отырып, ДНҚ молекуласының қос спиральді құрылымын ашты. 1961 жылы Франсуа Якоб пен Жак Монод белгілі бір гендердің өнімдері басқа гендердің экспрессиясын олардың шетіндегі белгілі бір орындарға әсер ету арқылы реттейтінін көрсетті. Олар сондай-ақ ДНҚ мен оның ақуыз өнімдері арасындағы делдалды, яғни хабаршы РНК-ны, болжады. 1961-1965 жылдар аралығында ДНҚ-дағы ақпарат пен ақуыздардың құрылымы арасындағы байланыс анықталды: ДНҚ-дағы нуклеотидтердің тізбегі мен ақуыздағы аминқышқылдарының тізбегі арасындағы сәйкестікті қамтамасыз ететін генетикалық код бар екені анықталды. 2023 жылдың сәуірінде ғалымдар жаңа деректерге сүйене отырып, Розалинд Франклиннің ДНҚ ашылу процесіне үлкен үлес қосып, "тең құрбы" болғанын, бұл оның бұрынғы есептерде көрсетілген рөлінен өзгеше екенін мәлімдеді. Молекулалық биологияның маңызды ашылулары шамамен жиырма бес жылдың ішінде жасалды. Гендік инженерия деп аталатын жаңа және күрделі технологиялар пайда болғанша тағы он бес жыл өтті, бұл гендерді, әсіресе өте күрделі организмдердің гендерін оқшаулауға және сипаттауға мүмкіндік берді.

Молекулалық үстемдіктің зерттеуі

Егер молекулалық революцияны биологиялық тарих тұрғысынан қарастырсақ, оның микроскоп арқылы жасалған алғашқы байқаулардан бастау алған ұзақ процестің нәтижесі екенін байқау оңай. Осы алғашқы зерттеушілердің мақсаты тірі организмдердің жұмысын микроскопиялық деңгейде сипаттау арқылы түсіну болды. 18 ғасырдың соңынан бастап тірі организмдерді құрайтын химиялық молекулаларды зерттеуге көбірек назар аударыла бастады. 19 ғасырда неміс химигі Юстус фон Либигтің еңбектері арқасында физиологиялық химия пайда болды, ал 20 ғасырдың басында тағы бір неміс химигі Эдуард Бухнердің жұмысының нәтижесінде биохимия дамыды. Химиктер зерттеген молекулалар мен оптикалық микроскоппен көрінетін жасуша ядросы немесе хромосомалар сияқты кішкентай құрылымдардың арасында химиялық физик Вольфганг Оствальдтың айтуынша, "көрінбейтін өлшемдер әлемі" деп аталатын белгісіз аймақ болды. Бұл әлемде құрылысы мен қасиеттері толық анықталмаған колоидтар, химиялық қосылыстар қоныстанды. Молекулалық биологияның табыстары химия және физика ғалымдары жасаған жаңа технологиялардың көмегімен осы белгісіз әлемді зерттеуден туындады: рентгендік дифракция, электрондық микроскопия, ультрацентрифугация және электрофорез. Осы зерттеулер макромолекулалардың құрылымын және қызметін анықтады. Бұл процестегі маңызды кезең 1949 жылы Лайнус Паулингтің жұмысы болды, ол алғаш рет серпалы жасуша ауруымен ауырған науқастардағы нақты генетикалық мутацияны гетерозиготалық немесе гомозиготалық индивидтердің эритроциттеріндегі гемоглобиннің нақты өзгерісімен байланыстырды.

Биохимия мен генетиканың кездесуі

Молекулалық биологияның дамуы сонымен қатар ХХ ғасырдың алғашқы отыз жылында айтарлықтай прогресс жасаған екі ғылымның қарымдасуы болып табылады: биохимия және генетика. Біріншісі тірі организмдерді құрайтын молекулалардың құрылымын және функциясын зерттейді. 1900 мен 1940 жылдар аралығында метаболизмнің орталық процестері сипатталды: ас қорыту процесі және қанттар сияқты тамақтан алынған қоректік элементтердің сіңірілуі. Бұл процестердің әрқайсысы белгілі бір ферментпен катализделеді. Ферменттер – қандағы антиденелер сияқты ақуыздар немесе бұлшықеттердің жиырылуына жауапты белоктар. Осының салдарынан ақуыздарды, олардың құрылымын және синтезін зерттеу биохимиктердің басты мақсаттарының біріне айналды. ХХ ғасырдың басында дамыған биологияның екінші саласы – генетика. 1900 жылы Хьюго де Врис, Карл Корренс және Эрих фон Чермак жүргізген зерттеулер арқылы Мендель заңдары қайта ашылғаннан кейін, бұл ғылым 1910 жылы Томас Хант Морганның генетикалық зерттеулер үшін үлгілі организмді, атақты жеміс шыбығын (Drosophila melanogaster) қабылдауының арқасында қалыптаса бастады. Біраз уақыттан кейін Морган гендердің хромосомаларда орналасқанын көрсетті. Осы жаңалықтан кейін ол Drosophila-мен жұмысын жалғастырды және көптеген басқа зерттеу топтарымен бірге организмдердің өмірі мен дамуында геннің маңыздылығын растады. Дегенмен, гендердің химиялық табиғаты және олардың әрекет ету механизмдері құпия болып қала берді. Молекулалық биологтар гендер мен белоктардың құрылымын анықтауға және олардың арасындағы күрделі қатынастарды сипаттауға бел буды. Молекулалық биологияның дамуы идеялар тарихындағы қандай да бір ішкі "қажеттіліктің" жемісі ғана емес, сонымен қатар барлық белгісіздіктерімен, салмақты жағдайларымен және кездейсоқтықтарымен тарихи құбылыс болды: ХХ ғасырдың басындағы физикадағы айқын жетістіктер биологияның дамуының салыстырмалы кешігуін көрсетті, ол эмпирикалық әлем туралы білімді іздеудегі «жаңа шекараға» айналды. Сонымен қатар, 1940 жылдардағы ақпарат теориясы мен кибернетиканың дамуы, әскери қажеттіліктерге жауап ретінде, жаңа биологияға көптеген тың идеялар мен, әсіресе, метафоралар әкелді. Өмірдің негізгі механизмдерін зерттеу үшін бактерияларды және олардың вирустарын, бактериофагтарды модель ретінде таңдау – бұл табиғи нәрсе болды, өйткені олар – белгілі ең кішкентай тірі организмдер, сонымен қатар бұл жеке таңдаудың нәтижесі де еді. Бұл модель өзінің табысын, ең алдымен, Макс Дельбрюктің атақ-даңқы мен ұйымдастырушылық қабілетіне қарыз. Ол неміс физигі, АҚШ-та орналасқан динамикалық зерттеу тобын құра алды, оның ерекше мақсаты бактериофагты зерттеу болды: фаг тобы. Фаг тобы – негізінен T4 бактериофагы бойынша зерттеулер жүргізген биологтардың бейресми желісі, ХХ ғасырдың ортасында микробтық генетикаға және молекулалық биологияның пайда болуына көптеген маңызды үлес қосты. 1961 жылы фаг тобының ерте мүшесі Сидней Бреннер Фрэнсис Крик, Лесли Барнетт және Ричард Уотс Тобинмен Кембридждегі Кавендиш зертханасында бірлесіп, ақуыздар үшін генетикалық кодтың негізгі табиғатын көрсеткен генетикалық эксперименттер жүргізді. Бактериофаг T4 rIIB генінің мутанттарымен жүргізілген бұл тәжірибелер ақуызды кодтайтын ген үшін геннің ДНК-сының үш ретті негізі ақуыздың әрбір аминқышқылын анықтайтынын көрсетті. Осылайша генетикалық код – бұл үштік код, онда әр үштік (кодон деп аталады) белгілі бір аминқышқылын анықтайды. Сондай-ақ, кодондардың бір-бірімен жапсаспайтынын және мұндай тізбектің белгіленген бастапқы нүктеден оқылатынын анықтады. 1962–1964 жылдар аралығында фаг T4 зерттеушілері бактериофагтың зертханалық жағдайда өсуі үшін қажетті барлық гендердің функциясын зерттеуге мүмкіндік берді. Бұл зерттеулерге шартты өлімге әкелетін мутанттардың екі класының ашылуы ықпал етті. Мұндай мутанттардың бір класы «янтар мутанттары» деп аталады. Шартты өлімге ұшыраған мутанттардың тағы бір класы температураға сезімтал мутанттар деп аталады. Бұл екі класты мутанттарды зерттеу көптеген негізгі биологиялық проблемаларға айтарлықтай түсінік берді. Осылайша ДНК-ның репликациясы, ДНК-ның жөндеуі және ДНК-ның рекомбинациясы механизмдерінде қолданылатын ақуыздардың функциялары мен өзара әрекеттесулері туралы түсінік алынды. Сонымен қатар, вирустардың ақуыз және нуклеин қышқылынан құралатын процестері (молекулалық морфогенез) туралы түсінік алынды. Сондай-ақ, тізбекті тоқтататын кодондардың рөлі анықталды. Бір зерттеуде бактериофаг T4-тің негізгі бас белгісін кодтайтын генде кемшіліктері бар янтар мутанттары қолданылды. Бұл тәжірибе ақуыздың аминқышқыл тізбегінің геннің нуклеотидтік тізбегімен анықталатындығын көрсететін, бірақ 1964 жылға дейін дәлелденбеген «тізбектік гипотеза» үшін мықты дәлелдер берді. Осылайша, бұл зерттеу геннің оның кодтайтын ақуызымен сызықтық байланысын көрсетті. Жаңа биологияның дамуының географиялық панорамасы, ең алдымен, бұрынғы жұмыстармен шартталды. Генетика ең жылдам дамыған АҚШ және генетика мен биохимиялық зерттеулердің жоғары деңгейде өркендеген Ұлыбритания авангардта болды. Физикадағы революцияның отаны Германия, әлемдегі ең жақсы милары мен генетиканың ең жетілген зертханаларымен, молекулалық биологияның дамуында басты рөл атқаруға тиіс болды. Бірақ тарих басқаша шешім қабылдады: 1933 жылы нацистердің келуі – және, аз дәрежеде, фашистік Италиядағы тоталитарлық шаралардың қатаңдауы – көптеген еврей және еврей емес ғалымдардың эмиграциясына әкелді. Олардың көпшілігі АҚШ-қа немесе Ұлыбританияға қашып, сол елдердің ғылыми динамизміне қосымша серпін берді. Бұл қозғалыстар молекулалық биологияны бастапқыда халықаралық ғылымға айналдырды.

ДНҚ биохимиясының тарихы

ДНҚ-ны зерттеу молекулалық биологияның орталық бөлігі болып табылады.

ДНҚ-ны алғаш рет оқшаулау

19 ғасырда биохимиктер алғашқыда жасуша ядроларынан ДНК мен РНК-ны (бір-бірімен араластырылған күйде) бөліп алды. Олар "нуклеин қышқылының" полимерлік табиғатын салыстырмалы түрде жылдам түсінді, бірақ нуклеотидтердің екі түрі бар екенін кейін ғана білді: бірі рибоза, екіншісі дезоксирибоза. Осы кейінгі жаңалық ДНК-ны РНҚ-дан ерекше зат ретінде анықтауға және атау беруге әкелді. Фридрих Мишер (1844–1895) 1869 жылы "нуклеин" деп атаған затты ашты. Кейін ол лососьтың спермасынан қазір ДНК деп белгілі заттың таза үлгісін бөліп алды, ал 1889 жылы оның шәкірті Ричард Альтман оны "нуклеин қышқылы" деп атады. Бұл зат тек хромосомаларда ғана кездесетін болды. 1919 жылы Рокфеллер институтындағы Фоб Левен құрамындағы компоненттерді (төрт негіз, қант және фосфат тізбегі) анықтады және ДНК компоненттерінің фосфат-қант-негіз ретінде байланысқан екенін көрсетті. Ол осы бірліктердің әрқайсысын нуклеотид деп атады және ДНК молекуласы фосфат топтары арқылы байланысқан нуклеотидтік бірліктердің тізбегінен тұрады деп ұсынды, олар молекуланың "негізгі тізбегін" құрайды. Алайда Левен тізбектің қысқа екенін және негіздердің бірдей белгілі бір ретпен қайталануын ойлады. Торбьёрн Касперсон мен Айнар Хаммерстен ДНК полимер екенін көрсетті.

Хромосомалар мен тұқым қуалайтын қасиеттер

1927 жылы Николай Колцов мұрагерлік белгілердің "екі айна тәрізді жіптен тұратын, әрбір жіпті үлгі ретінде пайдалана отырып, жартылай консервативті әдіспен көбейтілетін" "үлкен мұрагерлік молекула" арқылы берілетінін болжады. Макс Дельбрюк, Николай Тимофеев-Рессовский және Карл Г. Циммер 1935 жылы хромосомалардың өте ірі молекулалар екенін, олардың құрылымын рентген сәулелерімен өңдеу арқылы өзгертуге болатынын және осылайша олардың құрылымын өзгерту арқылы сол хромосомалардың басқаруындағы мұрагерлік қасиеттерді өзгертуге болатындығын көрсетті. 1937 жылы Уильям Астбери ДНК-дан алғашқы рентгендік дифракциялық суреттерді алды. Ол дұрыс құрылымды анықтамаған, бірақ суреттер ДНК-ның реттелген құрылымы бар екенін көрсетті, сондықтан осы құрылымды анықтау мүмкіншілігі бар еді. 1943 жылы Освальд Теодор Эйвери және ғалымдар тобы пневмококктың "жұмсақ" түріне тән белгілерді өлтірілген "жұмсақ" (S) түрін тірі "қатаң" (R) түріне қол жетімді ету арқылы сол бактерияның "қатаң" түріне беруге болатынын анықтады. Күтпегендей, тірі R пневмококк бактериясы S түрінің жаңа штаммына айналды, ал берілген S белгілері мұрагерлік болып шықты. Эйвери белгілерді беру ортасын трансформациялық принцип деп атады; ол бұрынғыдай ақуыз емес, ДНК-ны трансформациялық принцип деп анықтады. Ол Фредерик Гриффиттің тәжірибесін қайта жасады. 1953 жылы Альфред Херши мен Марта Чейз тәжірибе (Херши-Чейз тәжірибесі) жүргізіп, T2 фагында ДНК-ның генетикалық материал екенін көрсетті (Херши Луриямен Нобель сыйлығын бөлісті).

ДНҚ құрылымының ашылуы

1950 жылдары үш топ ДНК-ның құрылымын анықтауды өз мақсатына қойды. Алғашқы топ Лондон Корольдік колледжінде жұмыс істеді, оны Морис Уилкинс басқарды, кейін Розалинд Франклин қосылды. Франсис Крик пен Джеймс Уотсоннан тұратын тағы бір топ Кембрижде болды. Үшінші топ Калтехте болды және оны Линус Полинг басқарды. Крик пен Уотсон металл таяқшалар мен шарларды қолданып физикалық модельдер құрастырды, онда нуклеотидтердің белгілі химиялық құрылымы, сондай-ақ полимер бойымен бір нуклеотидті келесісімен байланыстыратын байланыстардың орны ескерілді. Лондон Корольдік колледжінде Морис Уилкинс пен Розалинд Франклин ДНК талшықтарының рентгендік дифракциялық суретін зерттеді. Үш топтың ішінде тек Лондон тобы ғана жақсы сапалы дифракциялық суреттерді алуға және осылайша құрылым туралы жеткілікті сандық мәліметтерді жинауға қол жеткізді.

Шеңберлі құрылым

1948 жылы Паулинг көптеген белоктардың спиральді (альфа-спиральді) пішіндерін қамтитынын анықтады. Паулинг бұл құрылымды рентген сәулелерінің суреттерінен және құрылымдарды физикалық түрде модельдеу әрекеттерінен шешті. (Паулинг кейін Астберидің деректеріне сүйене отырып, дұрыс емес үш тізбекті спиральді ДНК құрылымын да ұсынды.) Морис Уилкинстің ДНК-дан алған алғашқы дифракциялық деректерінде де құрылымның спиральді екені анық көрінді. Бірақ бұл жай ғана бастама болды. Қанша талшық бірігіп тұрғаны, бұл санның барлық спиральдар үшін бірдей болатыны, негіздер спираль осіне қарай немесе кері бағытталғаны және, ең бастысы, барлық байланыстар мен атомдардың нақты бұрыштары мен координаттары қандай екендігі туралы сұрақтар қалды. Осындай сұрақтар Уотсон мен Криктің модельдеу жұмыстарын ынталандырды.

Қосымша нуклеотидтер

Өздерінің модельдеулерінде Уотсон мен Крик химиялық және биологиялық тұрғыдан орынды деп есептеген нәрселермен шектелді. Дегенмен, мүмкіндіктердің ауқымы өте кең болды. 1952 жылы Эрвин Чаргафф Кембриджге келіп, 1947 жылы жариялаған эксперименттері туралы сипаттамамен Крикке шабыттандырды. Чаргафф төрт нуклеотидтің пропорциясы ДНК-ның әрбір үлгісінде өзгеше болатынын, бірақ аденин мен тимин, гуанин мен цитозин сияқты нақты жұптарда екі нуклеотид әрқашан тең пропорцияда болатынын анықтаған. Рентгендік дифракция және Розалинд Франклиннің басқа да деректері, соның ішінде негіздер жұптасқандығы туралы ақпаратын пайдаланып, Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик 1953 жылы ДНК-ның молекулалық құрылымының алғашқы дұрыс моделін жасады, ол Розалинд Франклиннің тексеруінен өтті. Бұл жаңалық 1953 жылдың 28 ақпанында жарияланды, ал Уотсон мен Криктің алғашқы мақаласы 1953 жылдың 25 сәуірінде Nature журналында жарық көрді. Уотсон мен Крик жұмыс істеген Кавендиш зертханасының директоры сэр Лоуренс Брэгг 1953 жылдың 14 мамырында Лондонның Гай ауруханасының медициналық мектебінде сөз сөйледі, нәтижесінде Ричи Кальдердің 1953 жылдың 15 мамырындағы "Ньюс Хроникал" газетіндегі мақаласы жарық көрді, мақаланың тақырыбы: "Неліктен сіз – сіз? Өмір сырына жақындау". Бұл жаңалық ертесі күні "Нью-Йорк Таймс" газетінің оқырмандарына жетті. Виктор МакЭленьи өзінің "Уотсон және ДНК: ғылыми революция жасау" атты өмірбаянын зерттеу кезінде 1953 жылдың 16 мамырында Лондоннан жазылған, алты абзастық "Нью-Йорк Таймс" газетінің мақаласының көшірмесін тапты, мақаланың тақырыбы: "Жасушадағы 'өмір бірлігінің' пішіні зерттеледі". Мақала алғашқы басылымда жарық көрді, бірақ содан кейін маңыздырақ деп есептелген жаңалықтарға орын босату үшін алынып тасталды. ("Нью-Йорк Таймс" газеті кейін 1953 жылдың 12 маусымында толыққанды мақала жариялады). Кембридж университетінің студенттік газеті де 1953 жылдың 30 мамырында, сенбі күні, бұл жаңалық туралы қысқа мақала жариялады. Брэггтің 1953 жылдың 8 сәуірінде Бельгияда өткен ақуыздар жөніндегі Солвей конференциясында жасаған бастапқы хабарламасы баспасөз тарапынан жарияланбады. 1962 жылы Уотсон, Крик және Морис Уилкинс ДНК құрылымын анықтағаны үшін физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын бірлесіп алды.

"Орталық догма"

Уотсон мен Криктің моделі таныстырылғаннан кейін бірден зор қызығушылық тудырды. 1953 жылғы 21 ақпанда қорытындыларына келген Уотсон мен Крик 28 ақпанда алғашқы хабарламасын жасады. 1957 жылы Крик өте маңызды баяндамасында "молекулалық биологияның орталық догмасын" ұсынды, ол ДНҚ, РНҚ және ақуыздар арасындағы қатынасты болжады және "тізбектелген гипотезаны" түсіндірді. 1958 жылы Мезелсон-Сталл эксперименті арқылы қос спиральді құрылыммен ұсынылған репликация механизмі маңызды растау алды. Крик пен оның әріптестерінің жұмысы генетикалық кодтың кодон деп аталатын, бірін-бірі жаппай баспайтын үштік негіздерге негізделгенін көрсетті, ал Хар Гобинд Хорана және басқалар генетикалық кодты көп ұзамай (1966) жазып шығарды. Бұл жаңалықтар молекулалық биологияның тууына себеп болды.

Тарихқа дейінгі кезең: РНК-ның тікұшақты құрылымы

РНК-ның құрылымдық биологиясындағы алғашқы жұмыстар 1950 жылдардың басында ДНК-ға қатысты жүргізілген жұмыстармен көбінесе бір уақытта болды. 1953 жылы Уотсон мен Крик жариялаған мақаласында рибозаның 2`OH тобының ван дер Ваальс әсерінен туындаған тығыздығы РНК-ның олар ұсынған модельге – қазір біз В формасы ДНК деп білетін екі спиральді құрылымды қабылдауына кедеріс келтіретінін айтты. Бұл РНК-ның үш өлшемді құрылымы туралы сұрақтар тудырды: бұл молекула қандай да бір спиральді құрылымды құрай ала ма, және егер құрай алса, қалай? ДНК-дағы сияқты, РНК-ның алғашқы құрылымдық жұмыстары талшықты дифракциялық талдау үшін табиғи РНК полимерлерін бөліп алуға бағытталды. Тестіленген үлгілердің әртүрлілігіне байланысты, алғашқы талшықты дифракциялық суреттері көбінесе күңкі болды және оңай түсіндірілмейтін. 1955 жылы Марианна Грунберг Манаго және әріптестері полинуклеотид фосфорилаза ферментін сипаттаған мақала жариялады, ол нуклеотид дифосфаттарынан фосфат тобын бөліп, олардың полимерленуін катализдейді. Бұл жаңалық зерттеушілерге гомогенді нуклеотид полимерлерін синтездеуге, содан кейін оларды біріктіріп, қос тізбекті молекулаларды жасауға мүмкіндік берді. Бұл үлгілерге дейін алынған талшықты дифракциялық суреттерге қарағанда әлдеқайда оңай түсіндірілетін суреттер алынды, бұл ДНК-да байқалғаннан өзгеше, реттелген, спиральді құрылымды қос тізбекті РНК-ның бар екенін көрсетті. Бұл нәтижелер РНК-ның әртүрлі қасиеттерін және мүмкіндіктерін зерттеуге жол ашты. 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында РНК құрылымына қатысты көптеген мақалалар жарияланды, олар РНК-ДНК гибридтеу, үш тізбекті РНК және тіпті РНК динуклеотидтерінің (G C және A U) примитивті спираль тәрізді құрылымдарының кішкентай кристаллографиясын қамтыды. РНК құрылымдық биологиясындағы алғашқы жұмыстарды толығырақ қарастыру үшін Александр Ричтің «РНК ояну дәуірі: РНК-ның алғашқы жылдардағы құрылымдық биологиясы» мақаласын қараңыз.

Бастауы: tRNAPHE кристалл құрылымы

1960 жылдардың ортасында тРНК-ның ақуыз синтезіндегі рөлі қарқынды зерттелді. Осы кезде рибосомалар ақуыз синтезіне қатысты екені анықталды және бұл құрылымдардың қалыптасуы үшін мРНК тізбегінің қажеттігі дәлелденді. 1964 жылы жарияланған мақалада Уорнер мен Рич ақуыз синтезінде белсенді рибосомаларда А және Р орындарында байланысқан тРНК молекулалары бар екенін көрсетті және бұл молекулалар пептидилтрансфераза реакциясына көмектеседі деген пікірді талқылады. Дегенмен, жан-жақты биохимиялық сипаттамаларға қарамастан, тРНК функциясының құрылымдық негізі құпия болып қалды. 1965 жылы Холли және авторлар тобы алғашқы тРНК молекуласын тазартып, тізбектеп, бастапқыда оның үш жапырақты құрылымды қабылдағанын болжады, бұл негізінен молекуланың белгілі бір аймақтарының сабақ-ілмек құрылымдарын қалыптастыру қабілетіне негізделген. тРНК-ны оқшаулау РНК құрылымдық биологиясындағы маңызды жаңалық болды. Роберт В. Холлидің жариялануынан кейін көптеген зерттеушілер кристаллографиялық зерттеулер үшін тРНК-ны оқшаулау жұмысын бастады, осы процесте молекуланы оқшаулаудың жақсартылған әдістерін әзірледі. 1968 жылға қарай бірнеше топ тРНК кристалдарын жасады, бірақ олардың сапасы жеткіліксіз болды және құрылымды анықтау үшін қажетті ажыратымдылықта деректерді бермеді. 1971 жылы Ким және авторлар тобы tRNAPHE ашытқысының кристалдарын жасау арқылы жаңа жетістікке қол жеткізді, ол спермин қолдану арқылы 2-3 Ангстремді ажыратымдылықта дифракцияланды, спермин – табиғи полиамин, ол тРНК-мен байланысып, тұрақтандырады. Алайда, қолайлы кристалдарға ие болғанына қарамастан, tRNAPHE құрылымы бірден жоғары ажыратымдылықта шешілмеді, керісінше, ауыр металл туындыларын пайдаланудағы пионерлік жұмыс пен молекуланың жоғары сапалы тығыздық картасын жасау үшін қосымша уақыт қажет болды. 1973 жылы Ким және авторлар тобы тРНК молекуласының 4 Ангстремдік картасын жасады, онда олар толық омыртқа тізбегін анық көрсете алды. Бұл шешімге көптеген басқалары да ілесе бастады, өйткені әртүрлі зерттеушілер құрылымды жетілдіруге және осылайша негіздік жұптасу мен үйілу өзара әрекеттесулерінің егжей-тегжейін толығырақ түсіндіруге және молекуланың жарияланған архитектурасын растауға тырысты. tRNAPHE құрылымы нуклеин қышқылы құрылымы саласында ерекшеленеді, өйткені ол Рихард Э. Дикерсонның B формалы додекамерін шешуге дейін кез келген ұзын тізбекті нуклеин қышқылы құрылымын (РНК немесе ДНК) шешудің алғашқы мысалы болды. Сонымен қатар, tRNAPHE РНК архитектурасында байқалатын көптеген үшіншілік өзара әрекеттесулерді көрсетті, олар алдағы жылдары жіктеліп, толығырақ түсінілмеді, бұл болашақ РНК құрылымдық зерттеулерінің негізін қалады.

Қайта өрлеу: "Шекек" рибозимі мен І топтағы интроны: P4-6

Алғашқы тРНК құрылымдарынан кейін РНК құрылымы саласы айтарлықтай дамыған жоқ. РНК құрылымын зерттеу мүмкіндігі РНК нысанасын оқшаулауға байланысты болды. Бұл көп жылдар бойы саланың дамуын шектеді, өйткені басқа белгілі нысаналарды – яғни, рибосоманы – оқшаулау және кристалдастыру әлдеқайда қиын болды. Сонымен қатар, басқа қызықты РНК нысаналары анықталмаған немесе қызықты деп санау үшін жеткілікті түрде түсінілмегендіктен, зерттеуге арналған нысандардың жетіспеушілігі болды. Осылайша, tRNAPHE құрылымының алғаш рет жарияланғанынан кейін шамамен жиырма жыл бойы тек бірнеше басқа РНК нысаналарының құрылымы анықталды, олардың барлығы дерлік трансферлік РНК отбасына жатты. Бұл өкінішті шектеулілік екі маңызды нуклеин қышқылы зерттеуінің арқасында жеңілді: рибозимдерді анықтау және оларды in vitro транскрипция арқылы өндіру мүмкіндігі. Том Чехтың *Tetrahymena* тобының I интронын автокатализдік рибозим ретінде жариялағаннан кейін және Сидни Альтманның рибонуклеаза P РНК-ның катализдік қасиеттері туралы хабарлағаннан кейін, 1980-ші жылдардың соңында бірнеше басқа катализдік РНК анықталды, соның ішінде «балға тәрізді» рибозим. 1994 жылы McKay және авторлар тобы 2.6 Ангстрем ажыратымдылығымен «hammerhead РНК-ДНК рибозим тежегіш кешенінің» құрылымын жариялады, онда рибозимнің автокатализдік белсенділігі ДНК субстратына байланысу арқылы жойылды. Осы мақалада жарияланған рибозимнің конформациясы бірнеше мүмкін күйлердің бірі екені көрсетілді, және бұл нақты үлгі катализдік белсенді болмаса да, кейінгі құрылымдар оның белсенді күйінің архитектурасын ашты. Бұл құрылымды Дженифер Доднаның *Tetrahymena* тобының I интронының P4 P6 домендерінің құрылымын жариялауы жалғастырды, бұл рибозимнің фрагменті Чех есімімен танымал болды. Бұл жарияланымның екінші бөлігі – «РНК-ның қаптамалану принциптері» – осы екі құрылымның маңыздылығын көрсетеді: алғаш рет жақсы сипатталған тРНК құрылымдарын трансферлік отбасынан тыс, шақтас РНК құрылымдарымен салыстыруға болады. Бұл РНК-ның үшіншілік құрылымын жіктеуге арналған жүйені құруға мүмкіндік берді. Енді мотивтерді, бүгілулерді және әр түрлі жергілікті тұрақтандыру өзара әрекеттесулерді сақтауды ұсынуға болады. Бұл құрылымдар мен олардың салдары туралы алғашқы шолу үшін, Д. Дудна мен А. Ферре Д'Амаренің «РНК БҮГІЛУЛЕРІ: Жақында жасалған кристалдық құрылымдардан алынған түсініктер» деген мақаласын қараңыз. Кристаллография арқылы жаһандық құрылымды анықтаудағы жетістіктерге қоса, 1990-шы жылдардың басында ЯМР (NMR) РНК құрылымдық биологиясында қуатты әдіс ретінде қолданыла бастады. Ірі масштабты рибозимдердің құрылымдары кристаллографиялық жолмен шешілгенмен қатар, ЯМР көмегімен дәрі-дәрмектермен және пептидтермен кешенделген шағын РНК және РНК-ның бірқатар құрылымдары анықталды. Сонымен қатар, ЯМР қазір кристалдық құрылымдарды зерттеу және толықтыру үшін қолданылуда, мысалы, 1997 жылы жарияланған оқшауланған тетралупа рецептор мотивінің құрылымын анықтау арқылы. Мұндай зерттеулер үлкен РНК молекулаларының жаһандық бүгілуін тұрақтандыратын негіздердің жұптасуы және үйіліп жату өзара әрекеттесуін дәлірек сипаттауға мүмкіндік берді. РНК-ның үшіншілік құрылымдық мотивтерін түсінудің маңыздылығы Мишель мен Костаның тетралупа мотивін анықтаған жарияланымдарында жақсы сипатталды: «Өзін-өзі бүктеу РНК молекулалары үштік мотивтердің салыстырмалы түрде аз жиынтығын ғана кеңінен пайдаланса, таңқаларлық емес. Бұл мотивтерді анықтау модельдеу жұмысына үлкен көмек болар еді, бұл ірі РНК-ның кристалдануы қиын болып қала бергенше маңызды болып қала береді».

Қазіргі заман: РНК-ның құрылымдық биологиясы

1990 жылдардың ортасында РНК құрылымдық биологиясының қайта жандануы нуклеин қышқылы құрылымдық зерттеулері саласында нағыз төңкеріс жасады. "Hammerhead" және "P4-6" құрылымдары жарияланғалы бері, осы салаға көптеген маңызды үлес қосылды. Ең айқын мысалдардың бірі – I және II топтағы интронның құрылымы, сондай-ақ Ненад Бан және Томас Штайцтың зертханасындағы әріптестері анықтаған рибосома. Алғашқы үш құрылым in vitro транскрипция әдісімен жасалған, ал ЯМР (NMR) төрт құрылымның ішінара бөліктерін зерттеуде маңызды рөл атқарды – бұл екі техниканың да РНК зерттеулері үшін таптырмас екендігін көрсетеді. Соңғы жылдары, 2009 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы Ада Йонат, Венкатраман Рамакришнан және Томас Штайцқа рибосома құрылымын зерттеудегі еңбектері үшін берілді, бұл РНК құрылымдық биологиясының қазіргі молекулалық биологияда қаншалықты маңызды рөл атқаратынын көрсетті.

Бірінші оқшаулау және жіктеу

Протеиндер XVIII ғасырда Антуан Фуркрой және басқалар тарапынан биологиялық молекулалардың ерекше класы ретінде танылды. Бұл кластың мүшелері ("альбуминоидтар", Eiweisskörper немесе matières albuminoides деп аталады) жылу немесе қышқыл сияқты түрлі жағдайлардың әсерінен коагуляциялану немесе флокуляциялану қабілетімен еректелді; XIX ғасырдың басындағы белгілі мысалдарға жұмыртқа ақтарынан алынған альбумен, қан сарысуы альбумині, фибрин және бидай глютені кірді. Жұмыртқа ақшасын пісіру мен сүтті қатырудың ұқсастығы ежелгі заманнан бері белгілі болған; мысалы, жұмыртқа ақшасының ақуызына "альбумен" деген атты Плиний Үлкені латын тіліндегі *albus ovi* (жұмыртқа ақшасы) сөзінен берген. Голландиялық химик Герхард Иоганнес Малдер Йонс Якоб Берзелиустың кеңесімен, жануарлар мен өсімдіктердің кәдімгі протеиндерінің элементтік талдауларын жүргізді. Көптің таңғалысына орай, барлық протеиндер шамамен бірдей эмпирикалық формулаға ие болды, шамамен C400H620N100O120 және жеке күкірт және фосфор атомдарымен. Малдер өзінің нәтижелерін екі мақалада (1837, 1838) жариялады және протеиндердің бір негізгі заты (Grundstoff) бар екенін, оның өсімдіктермен синтезделетінін және жануарлардың ас қорыту кезінде оны сіңіретінін болжады. Берзелиус осы теорияның ерте жақтаушысы болды және 1838 жылғы 10 шілдедегі хатында осы затқа "протеин" деген атауды ұсынды. Ол фибрин мен альбуминнің органикалық оксиді үшін ұсынған "протеин" атауын [грек сөзі] πρωτειος-тен шығаруды қалады, себебі ол жануарлардың тамақтануының бастапқы немесе ең маңызды заты болып көрінеді. Малдер протеиннің ыдырау өнімдерін, мысалы, аминқышқылы лейцинды анықтады, ол үшін ол (шамамен дұрыс) 131 Да молекулалық салмақты анықтады.

Тазарту және массаны өлшеу

Малдердің талдаулары бойынша ең төменгі молекулалық салмақ шамамен 9 кДа, басқа зерттелген молекулаларға қарағанда жүздеген есе үлкен болды. Сондықтан ақуыздардың химиялық құрылымы (олардың біріншілік құрылымы) Фред Сангер инсулинді секвенциялаған 1949 жылға дейін белсенді зерттеу саласы болып келді. Аминқышқылдарының пептидтік байланыстармен біріккен сызықтық полимерлері екендігі туралы (дұрыс) теорияны Франц Хофмейстер мен Эмиль Фишер 1902 жылы бірдей конференцияда тәуелсіз және бір уақытта ұсынды. Дегенмен, кейбір ғалымдар мұндай ұзын макромолекулалардың ерітіндіште тұрақты бола алатынына күмән келтірді. Осының салдарынан ақуыздың біріншілік құрылымының көптеген баламалы теориялары ұсынылды, мысалы, ақуыздардың кішкентай молекулалардың жиынтығы деген коллоидтық гипотеза, Дороти Вринчтің циклол гипотезасы, Эмиль Абдерхальденнің дикетопиперазин гипотезасы және Троенсгардтың пиррол/пиперидин гипотезасы (1942). Бұл теориялардың көпшілігі ақуыздардың қорытылуы нәтижесінде пептидтер мен аминқышқылдарының түзілуін түсіндіруде қиындықтарға тап болды. Теодор Сведберг аналитикалық ультрацентрифугация арқылы ақуыздардың жақсы анықталған құрамдағы макромолекулалар (колоидты қоспалар емес) екенін көрсетті. Кейбір ақуыздардың мұндай макромолекулалардың ковалентті емес қатарласуларынан тұратынын Гилберт Смитсон Адейр (гемоглобиннің осмостық қысымын өлшеу арқылы) және кейіннен Фредерик М. Ричардс рибонуклеаза S-ты зерттеулерінде көрсетті. Ақуыздардың массалық спектрометриясы ұзақ уақыт бойы аудармадан кейінгі модификацияларды анықтау үшін, ал соңғы кезде ақуыз құрылымын зерттеу үшін пайдалы техника болып табылады. Көптеген ақуыздарды тіпті ең қазіргі заманғы әдістерді қолданып, миллиграммнан артық мөлшерде тазарту қиын. Сондықтан алғашқы зерттеулер көп мөлшерде тазартуға болатын ақуыздарға, мысалы, қан, жұмыртқа ақуызы, түрлі уларлар және сойыс орындарынан алынған ас қорыту/метаболизм ферменттеріне бағытталды. Эдвин Джозеф Кон басқарған жоба аясында Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде ақуызды тазартудың көптеген әдістері әзірленді, мақсаты – әскерилердің өмірін сақтау үшін қан ақуыздарын тазарту болды. 1950 жылдардың соңында Armour Hot Dog Co. компаниясы 1 кг (= бір миллион миллиграмм) таза сиыр панкреатикалық рибонуклеаза А тазартып, оны әлемдегі ғалымдарға қолжетімді бағамен ұсынды. Бұл жомарттық әрекеті RNase A-ны келесі ондаған жылдар бойы негізгі зерттеулер үшін маңызды ақуызға айналдырып, бірнеше Нобель сыйлығына әкелді.

Белоктардың бүлінуі және алғашқы құрылымдық модельдер

Белоктың бүктелуін зерттеу 1910 жылы Харриетт Чик пен К.Ж. Мартиннің танымал мақаласымен басталды, онда олар белоктың түйірленуі екі бөлек процестен тұратынын көрсетті: ерітіндіден белоктың шөгуі денатрурациялау деп аталатын тағы бір процеске дейін жүреді, онда белоктың ерігіштігі төмендеп, ферменттік белсенділігін жоғалтып, химиялық тұрғыдан реактивтілігі артады. 1920 жылдардың ортасында Тим Ансон мен Альфред Мирский денатрурациялаудың қайтымды процесс екенін ұсынды, бұл дұрыс гипотеза бастапқыда кейбір ғалымдар тарапынан «жұмыртқаны қайта қайнату» деп қысымға ұшырады. Ансон сондай-ақ денатрурациялаудың екі күйлі («бар немесе жоқ») процесс екенін болжады, онда бір ғана негізгі молекулалық өту ерігіштік, ферменттік белсенділік және химиялық реактивтіліктегі күрт өзгерістерге әкеледі; ол денатрурация кезіндегі еркін энергияның өзгеруі әдетте химиялық реакцияларда кездесетінге қарағанда әлдеқайда аз екенін атап өтті. 1929 жылы Сзэн Ву денатрурациялаудың белоктың жазылуы екенін, яғни аминқышқылдарының бүйір тізбектерінің еріткішке ашылуымен аяқталатын конформациялық өзгеріс екенін болжады. Осы (дұрыс) гипотезаға сәйкес, майлы және реактивті бүйір тізбектердің еріткішке ашылуы белоктың ерігіштігін төмендетіп, реактивтілігін арттырады, ал белгілі бір конформацияның жоғалуы ферменттік белсенділіктің жоғалуына себеп болады. Вудың гипотезасы мүмкін деп есептелсе де, ол бірден қабылданбады, өйткені белок құрылымы және ферментация туралы тым аз мәлімет болды, ал ерігіштіктегі өзгерістерді, ферменттік белсенділікті және химиялық реактивтілікті түсіндіретін басқа факторлар да болуы мүмкін. 1960 жылдардың басында Крис Анфинсен рибонуклеаза А белгісінің сыртқы кофакторлардың қатысуынсыз толыққанды қайтымды екенін көрсетті, соның салдарынан белоктың бүктелуінің «термодинамикалық гипотезасын» растады, яғни бүктелінген күй белок үшін еркін энергияның жаһандық минимумын білдіреді. Белоктың бүктелуі туралы гипотезадан кейін бүктелінген белок құрылымдарын тұрақтандыратын физикалық өзара әрекеттесулерді зерттеу жүргізілді. Дороти Ринч пен Ирвинг Лангмуир гидрофобтық өзара әрекеттесудің маңызды рөлін жорықтады, бұл олардың циклол құрылымдарын тұрақтандыру механизмі болуы мүмкін. Ж.Д. Берналь және басқалар қолдағанмен, бұл (дұрыс) гипотеза циклол гипотезасымен бірге қабылданбады, оны 1930 жылдары Линус Паулинг (басқалармен бірге) жоққа шығарды. Оның орнына Паулинг белок құрылымының негізінен сутекті байланыстар арқылы тұрақтандырылатынын айтты, бұл идеяны бастапқыда Уильям Астбери (1933) ұсынған. Қызығы, Паулингтің сутекті байланыстар туралы дұрыс емес теориясы белоктың екіншілік құрылым элементтері – альфа спираль және бета парақтары үшін оның дұрыс модельдеріне әкелді. Гидрофобтық өзара әрекеттесу 1959 жылы Уолтер Кауцманның денатрурация туралы танымал мақаласымен қайта қалпына келтірілді, бұл ішінара Каж Линдерстрём Лангтың жұмысына негізделген. Белсенің иондық табиғатын Бьеррум, Вебер және Арне Тизелиус көрсетті, бірақ Линдерстром Ланг зарядтардың көбінесе еріткішке қол жетімді екенін және бір-бірімен байланыспағанын көрсетті (1949). Глобулярлы белоктердің екінші және төмен ажыратымдылықтағы үшінші құрылымы алғашқыда гидродинамикалық әдістермен, мысалы, аналитикалық ультрацентрифугация және ағынды екі сыну арқылы зерттелді. 1950 жылдары белок құрылымын зерттеуге арналған спектроскопиялық әдістер (мысалы, дөңгелек дихроизм, флуоресценция, ультракүлгін және инфрақызыл сәулелерді сіңіру) жасалды. Белоктердің алғашқы атомдық ажыратымдылықтағы құрылымдары 1960 жылдары рентгендік кристаллография арқылы және 1980 жылдары ЯМР арқылы анықталды. 2019 жылға қарай Белоктар дерекқорында 150 000-нан астам белоктың атомдық ажыратымдылықтағы құрылымдары бар. Соңғы уақытта үлкен макромолекулалық жиынтықтардың криоэлектрондық микроскопиясы атомдық ажыратымдылыққа қол жеткізді, ал кішкентай белок домендерінің белок құрылымын есептеу атомдық ажыратымдылыққа жақындап келеді.