A principios del siglo XX, el corsario alemán (1853-1927) y sus dos alumnos Jones (1865-1935) y Levin (1869-1940) descubrieron los ácidos nucleicos. Los nucleótidos están compuestos de bases, ribosa y fosfato. Hay cuatro tipos de bases (adenina, guanina, timina y citosina) y dos tipos de ribosa (ribosa y desoxirribosa), por lo que los ácidos nucleicos se dividen en ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN).
Levine, que estaba ansioso por publicar los resultados de su investigación, creyó erróneamente que las cantidades de las cuatro bases en los ácidos nucleicos eran iguales, y dedujo de ello que la estructura básica de los ácidos nucleicos es la polimerización de cuatro nucleótidos. con diferentes bases. Se propusieron los tetranucleótidos que forman los ácidos nucleicos y se propuso la "hipótesis de los tetranucleótidos". Esta suposición errónea dificulta en gran medida la comprensión de las estructuras complejas de los ácidos nucleicos y, hasta cierto punto, también afecta la comprensión de las personas sobre las funciones de los ácidos nucleicos. Se pensaba que aunque el ácido nucleico existía en una estructura importante, el núcleo, su estructura era demasiado simple para imaginar qué papel podría desempeñar en el proceso genético.
En 1902, el químico alemán Fischer propuso la teoría de que los aminoácidos se conectan mediante cadenas peptídicas para formar proteínas. En 1917, sintetizó una cadena larga de 18 péptidos compuesta por 15 glicinas y 3 leucinas. Por tanto, algunos científicos creen que las proteínas pueden desempeñar un papel importante en la herencia. Si la herencia involucra ácidos nucleicos, deben ser nucleoproteínas unidas a proteínas. Por lo tanto, la comunidad biológica de esa época generalmente tendía a creer que las proteínas son las portadoras de información genética.
En 1919, Phoebus Levine identificó aún más las bases, los azúcares y las unidades de nucleótidos de fosfato que forman el ADN. Creía que el ADN podría estar compuesto de muchos nucleótidos unidos entre sí por grupos fosfato. Pero en su concepto, las cadenas largas de ADN son cortas y las bases de su interior están dispuestas repetidamente en un orden fijo. En 1937, William Astbury completó el primer patrón de difracción de rayos X, aclarando la regularidad de la estructura del ADN.
En 1928, el científico estadounidense Frederick Griffith (1877-1941) descubrió en experimentos que los neumococos lisos podían transformarse en el mismo tipo de bacterias rugosas mezclando bacterias vivas, lisas y rugosas. Griffiths realizó experimentos en ratones con una cepa virulenta de neumococo envuelta y una cepa no envuelta de neumococo atenuado. Mató las bacterias formadoras de vainas a alta temperatura y las inyectó en ratones junto con bacterias vivas que no formaban vainas. Como resultado, descubrió que los ratones rápidamente enfermaban y morían, y aisló bacterias vivas de la sangre de los ratones. Esto muestra que Agabi en realidad recibió algo del Agabi muerto, transformando a Agabi en Agabi. ¿Es correcta esta suposición? Griffith realizó otro experimento en un tubo de ensayo y descubrió que cuando se cultivaban hongos de vaina vivos y muertos en el tubo de ensayo al mismo tiempo, todos los hongos de vaina se convertían en hongos de vaina. Se descubrió que era el ácido nucleico que quedaba en la cáscara. de los hongos de las vainas muertas que produjeron el hongo de las vainas. Las vainas proteicas crecieron (debido a que los ácidos nucleicos de las vainas no se destruyeron durante el proceso de calentamiento). Griffith llamó factores de transformación a los ácidos nucleicos. Este fenómeno se llama "transformación".
Sin embargo, este descubrimiento no fue ampliamente reconocido. La gente sospechaba que la tecnología de la época no podía eliminar la proteína y que la proteína restante desempeñaba un papel en la transformación. El factor responsable de este fenómeno, el ADN, no fue reconocido hasta 1943 por Oswald Avery y otros. En 1953, Alfred Hershey y Martha Chase demostraron la función genética del ADN. En el experimento de Hirsch-Chaise descubrieron que el ADN era el material genético del bacteriófago T2.
En 1952, Hershey (1908 I), el principal miembro del grupo de los fagos, y su alumno Chase utilizaron tecnología avanzada de etiquetado de isótopos para realizar experimentos sobre la infección por fagos de E. coli. Usó 32P para marcar el ácido nucleico del fago T2 de E. coli y 35S para marcar la cubierta proteica.
E. coli se infectó con el fago T2 y luego se aisló. Como resultado, el fago dejó una cáscara vacía con la etiqueta 35S fuera de E. coli. Sólo el ácido nucleico marcado con 32P dentro del fago se inyectó en E. coli, y el fago se multiplicó con éxito en E. coli. Este experimento demostró que el ADN tiene la función de transmitir información genética y que las proteínas se sintetizan a partir de las instrucciones del ADN. Este resultado fue inmediatamente aceptado por la comunidad académica.
El grupo de fagos del científico germano-estadounidense Delbrück (1906-1981) creía firmemente en el descubrimiento de Avery. Porque observaron la morfología del fago y el proceso de crecimiento al ingresar a E. coli bajo un microscopio electrónico. Un bacteriófago es un virus que utiliza células bacterianas como huésped. Es tan pequeño que sólo puede verse con un microscopio electrónico. Es como un renacuajo, con una membrana en la cabeza y una vaina en la cola compuesta de proteínas. La cabeza contiene ADN en su interior y la vaina de la cola tiene filamentos de la cola, sustrato y pequeños ganchos. Cuando un fago infecta E. coli, primero une su extremo de la cola a la membrana celular bacteriana y luego inyecta todo el ADN del interior en la célula bacteriana. La cáscara vacía de la proteína permanece fuera de la célula bacteriana y no sirve para nada. Después de que el ADN del fago ingresa a la célula bacteriana, utiliza materiales en la bacteria para sintetizar rápidamente ADN y proteínas del fago, replicando así muchos fagos nuevos con el mismo tamaño y forma que el fago original. No es hasta que las bacterias se desintegran por completo que estos fagos abandonan las bacterias muertas e infectan a otras bacterias.
Casi al mismo tiempo, el bioquímico austriaco Chargaff logró redeterminar el contenido de las cuatro bases en los ácidos nucleicos. Influenciado por el trabajo de Avery, creía que si diferentes especies biológicas se debían a diferentes ADN, entonces la estructura del ADN debía ser muy compleja, de lo contrario sería difícil adaptarse a la diversidad del mundo biológico. Por tanto, dudaba de la hipótesis del tetranucleótido de Levine. Durante los cuatro años comprendidos entre 1948 y 1952, utilizó cromatografía en papel, un método más preciso que la era de Levine, para separar las cuatro bases y realizar análisis cuantitativos mediante espectroscopia de absorción ultravioleta. Después de repetidos experimentos, finalmente obtuvo un resultado diferente al de Levine. Los resultados experimentales muestran que el número total de purinas y pirimidinas en la macromolécula de ADN es igual, entre las cuales la adenina A y la timina T son iguales, y la guanina G y la citosina C son iguales. Muestra que las bases A y T, G y C en la molécula de ADN están emparejadas, negando así la "hipótesis del tetranucleótido" y proporcionando pistas y bases importantes para explorar la estructura molecular del ADN.
En un discurso pronunciado del 65438 al 0957, Crick propuso los principios centrales de la biología molecular, predijo la relación entre el ADN, el ARN y las proteínas y desarrolló la "hipótesis del transposón" (posteriormente llamado ARNt). En 1958, Matthew Masons y Franklin Starr demostraron el mecanismo de replicación del ADN en el experimento Masons-Starr. Posteriormente, la investigación del equipo de Crick demostró que el código genético consta de tres bases no repetitivas, llamadas codones. Hal Gobin Korana, Robert W. Hawley y Marshall Warren Nirenberg finalmente descifraron el código genético compuesto por estos codones. A finales de los años 30, los científicos suecos demostraron que el ADN es asimétrico. Después de la Segunda Guerra Mundial, la microscopía electrónica midió que el diámetro de la molécula de ADN era de unos 2 nanómetros. Después del descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN, conmocionó enormemente al mundo académico e inspiró el pensamiento de la gente. Inmediatamente después se llevaron a cabo una gran cantidad de estudios de biología molecular centrados en la genética. Primero, se llevó a cabo una investigación experimental sobre cómo organizar y combinar cuatro bases para codificar 20 aminoácidos.
En la década de 1950, se esclareció la estructura de doble hélice del ADN, lo que abrió un nuevo capítulo en las ciencias de la vida y marcó el comienzo de una nueva era de ciencia y tecnología. Posteriormente, se comprendió sucesivamente el mecanismo molecular de la herencia: la replicación del ADN, el código genético, el dogma central de la transmisión de información genética, los genes como unidad básica de la herencia y el modelo de la ingeniería celular, la regulación de la expresión genética, etc. En este punto, la gente se ha dado cuenta plenamente de que el ADN y los genes que contiene son los que controlan el destino de todos los seres vivos. Las diferencias entre la evolución biológica y los procesos de la vida son causadas por las diferentes trayectorias del ADN y los genes.
El 25 de abril de 1953, la revista británica "Nature" publicó los resultados de la investigación del estadounidense Watson y el británico Crick en la Universidad de Cambridge: el modelo molecular de la estructura de doble hélice del ADN, que más tarde fue aclamado como el siglo XX. El mayor descubrimiento en biología desde entonces marcó el nacimiento de la biología molecular.
Watson (1928 I) era un chico extremadamente inteligente en la escuela secundaria. Ingresó a la Universidad de Chicago a los 15 años. En ese momento, gracias a un programa de educación experimental que permitía el aprendizaje temprano, Watson tuvo la oportunidad de estudiar plenamente los cursos de ciencias biológicas en todos los aspectos. En la universidad, Watson recibió poca formación formal en genética, pero desde que leyó What is Life de Schrödinger? ——La base teórica de la teoría de la evolución, "La apariencia física de las células vivas", lo instó a "descubrir el secreto de los genes". Es bueno generando ideas, aprendiendo de los demás y enriqueciéndose con las ideas de otras personas. Siempre que las condiciones sean convenientes, podrás obtener el conocimiento que necesitas sin tener que obligarte a aprender un campo completamente nuevo. Watson recibió su doctorado a la edad de 22 años y fue enviado a Europa para realizar una investigación postdoctoral. Para comprender completamente la estructura química de un gen viral, fue a un laboratorio en Copenhague, Dinamarca, para estudiar química. Una vez, él y su mentor asistieron a una conferencia sobre macromoléculas biológicas en Nápoles, Italia, y tuvieron la oportunidad de escuchar una conferencia del biólogo físico británico Wilkins (1916-) y ver las fotografías de difracción de rayos X del ADN de Wilkins. Desde entonces, la idea de encontrar la clave para desbloquear la estructura del ADN volvió a la mente de Watson. ¿Dónde puedo aprender a analizar patrones de difracción de rayos X? Así que fue a estudiar al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, durante el cual Watson conoció a Crick.
Crick (1916-2004) fue un apasionado de la ciencia en el instituto y se graduó en la Universidad de Londres en 1937. En 1946 leyó "¿Qué es la vida?" de Erwin Schrödinger. ——La apariencia física de las células vivas, decidió aplicar el conocimiento físico al estudio de la biología y desde entonces se interesó por la biología. 1947, reanudó sus estudios de posgrado. En 1949, él y Peruzzi utilizaron la tecnología de rayos X para estudiar la estructura molecular de las proteínas, por lo que conocieron a Watson aquí. En ese momento, Crick era 12 años mayor que Watson y aún no había recibido su doctorado. Pero hablaron de manera muy especulativa y Watson se sintió afortunado de encontrar aquí a alguien que sabía que el ADN era más importante que las proteínas. Al mismo tiempo, Watson sintió que Crick era la persona más inteligente que jamás había conocido. Hablan al menos varias horas todos los días, discutiendo temas académicos. Las dos personas se complementan, se critican y se inspiran mutuamente. Creen que desentrañar la estructura molecular del ADN es la clave para resolver los misterios de la herencia. Sólo con datos precisos de difracción de rayos X podremos descubrir más rápidamente la estructura del ADN. Para obtener datos de difracción de rayos X del ADN, Crick invitó a Wilkins a Cambridge durante un fin de semana. Durante la conversación, Wilkins aceptó la idea de que la estructura del ADN es una hélice y también habló de su colaboradora Franklin (1920-1958, mujer) y de los científicos del laboratorio, que también luchaban con el problema de los modelos estructurales del ADN. Desde noviembre de 1951 hasta el 18 de abril de 1953, Watson y Crick tuvieron varios intercambios académicos importantes con Wilkins y Franklin.
En 11 meses de 1951, Watson quedó profundamente inspirado después de escuchar el detallado informe de Franklin sobre la estructura del ADN. Watson y Crick, que tenían cierto conocimiento del análisis de la estructura cristalina, se dieron cuenta de que si querían construir rápidamente un modelo de estructura del ADN, solo podían utilizar los datos de análisis de otras personas. Pronto se les ocurrió la idea de una estructura de ADN de triple hélice. A finales de 1951, invitaron a Wilkins y Franklin a discutir el modelo, y Franklin señaló que habían subestimado a la mitad el contenido de agua del ADN, por lo que el primer modelo fracasó.
Un día, Watson volvió al Laboratorio Wilkins del King's College. Inmediatamente se emocionó y su corazón latía más rápido, porque esta imagen era mucho más simple que la "Tipo A" que había obtenido antes. Puede determinar el número de hebras de polinucleótidos en una molécula de ADN simplemente mirando una fotografía de difracción de rayos X "tipo B" y haciendo un cálculo simple.
Crick pidió a matemáticos que le ayudaran a calcular y los resultados demostraron que las purinas tienen tendencia a atraer a las pirimidinas.
Con base en este resultado y el resultado obtenido de Chagav de que dos purinas y dos pirimidinas de ácidos nucleicos son iguales entre sí, formaron el concepto de emparejamiento de bases.
Pensaron mucho sobre el orden de las cuatro bases, dibujaron la estructura de la base en papel una y otra vez, jugaron con el modelo, plantearon hipótesis una y otra vez y revocaron sus suposiciones una y otra vez.
Una vez, Watson estaba jugando con el modelo según sus propias ideas. Movió las bases para encontrar varias posibilidades de emparejamiento. De repente, se animó cuando descubrió que un par adenina-timina, unidos por dos enlaces de hidrógeno, tenía la misma forma que un par guanina-citosina, unidos por tres enlaces de hidrógeno. Porque el misterio de por qué las purinas y las pirimidinas tienen exactamente el mismo número está a punto de resolverse. La ley de Chargaff de repente se convirtió en una consecuencia inevitable de la estructura de doble hélice del ADN. Por tanto, no es difícil imaginar cómo utilizar una hebra como plantilla para sintetizar otra hebra con una secuencia de bases complementaria. Entonces, las columnas vertebrales de las dos cadenas deben estar en direcciones opuestas.
Tras el intenso y continuo trabajo de Watson y Crick, rápidamente se montó el modelo metálico de ADN. En este modelo, podemos ver que el ADN está formado por dos hebras de nucleótidos que están enrolladas en direcciones opuestas a lo largo de un eje central, muy parecido a una escalera de caracol. Los reposabrazos de ambos lados son el esqueleto de la combinación alterna de genes de azúcar y fósforo de las dos cadenas de polinucleótidos, y los pedales son los pares de bases. Al carecer de datos precisos de rayos X, no se atreven a concluir que el modelo es totalmente correcto.
El siguiente enfoque científico es comparar cuidadosamente los patrones de difracción predichos por este modelo con datos experimentales de rayos X. Volvieron a llamar a Wilkins. En menos de dos días, Wilkins y Franklin utilizaron análisis de datos de rayos X para confirmar la exactitud del modelo de estructura de doble hélice y escribieron dos informes experimentales que se publicaron en la revista británica Nature. En 1962, Watson, Crick y Wilkins ganaron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología, mientras que Franklin murió de cáncer en 1958 y no ganó el premio. Para detectar todas las secuencias de ADN humano, en la década de 1990 se lanzó el Proyecto Genoma Humano. En 2001, un equipo internacional de colaboraciones multinacionales y la empresa privada Celera Genome Company publicaron borradores de secuencias del genoma humano en Nature y Science, respectivamente.
En 1967, el código genético fue completamente descifrado y se obtuvo un nuevo concepto de genes a nivel molecular del ADN. Muestra que un gen es en realidad un fragmento de una macromolécula de ADN, una unidad funcional y estructural de material genético que controla los rasgos biológicos. Muchos nucleótidos de este fragmento unitario no están dispuestos al azar, sino en una secuencia de código significativa. Una determinada estructura del ADN puede controlar la síntesis de proteínas de la estructura correspondiente. La proteína es un componente importante de los organismos vivos y las características de los organismos vivos se reflejan principalmente en las proteínas. Por lo tanto, los genes controlan los rasgos a través del ADN que controla la síntesis de proteínas. Sobre esta base, aparecieron una tras otra la ingeniería genética, la ingeniería enzimática, la ingeniería de fermentación, la ingeniería de proteínas, etc. El desarrollo de estas biotecnologías seguramente permitirá a la gente utilizar las leyes biológicas en beneficio de la humanidad. A medida que la biología moderna se desarrolla, resulta cada vez más claro que se convertirá en una disciplina dominante.
En 65438-0972, el científico estadounidense Paul Berg recombinó con éxito el primer lote de moléculas de ADN por primera vez en el mundo. Esto marcó el comienzo de la tecnología de recombinación del ADN: la ingeniería genética, como base de la bioingeniería moderna. a moderno La base y el núcleo de la biotecnología y las ciencias de la vida.
El contenido específico de la tecnología recombinante de ADN es recombinar fragmentos de ADN que contienen un gen específico de diferentes fuentes a través de medios artificiales, para lograr el propósito de cambiar el tipo de gen biológico y obtener productos genéticos específicos.
A mediados y finales de la década de 1970, debido a la aparición de bacterias de ingeniería y la naturaleza de ingeniería de la recombinación y el posprocesamiento del ADN, la ingeniería genética o ingeniería genética se utilizó ampliamente como sinónimo de tecnología recombinante de ADN. . Se puede decir que los fructíferos resultados logrados por la tecnología de ADN recombinante en los últimos 30 años han llevado a las personas a un mundo de ciencia increíble y fantástico, brindando a la humanidad la llave de oro para descubrir los misterios de la vida y prevenir y curar enfermedades.
A finales del siglo XX, las mayores áreas de aplicación de la tecnología del ADN recombinante eran el campo médico, incluida la producción de péptidos activos, proteínas y vacunas, la patogénesis, el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades, la aislamiento de nuevos genes y monitorización y purificación ambiental.
Muchos péptidos y proteínas activos tienen la función de tratar y prevenir enfermedades, y todos ellos son producidos por sus genes correspondientes. Sin embargo, es difícil obtener rendimientos suficientes para aplicaciones clínicas mediante métodos convencionales debido a los rendimientos extremadamente pequeños en tejidos y células.
La ingeniería genética supera esta limitación y puede producir dichos péptidos y proteínas en grandes cantidades. Hasta la fecha se han producido con éxito más de 65.438.000 productos, como insulina para el tratamiento de la diabetes y la esquizofrenia, interferón para el tratamiento de tumores hematológicos y ciertos tumores sólidos, y la hormona del crecimiento humano para el tratamiento del enanismo. inhibidor liberador utilizado para tratar la acromegalia y la pancreatitis aguda.
La ingeniería genética también puede introducir ADN relacionado con antígenos en microorganismos vivos, de modo que puedan crecer en el cuerpo huésped después del estrés inmunológico para producir vacunas vivas atenuadas, que tienen las ventajas de una gran dosis de estimulación antigénica y una larga duración. . ventaja. Actualmente se están desarrollando docenas de vacunas genéticamente modificadas, incluidas aquellas contra la lepra, la tos ferina, los gonococos y los meningococos. Existen vacunas para la hepatitis A, la hepatitis B, el citomegalovirus, el herpes simple, la influenza y el virus de la inmunodeficiencia humana. Hay hasta 120 millones de portadores y pacientes del virus de la hepatitis B en China, lo que ha llevado a los científicos chinos a desarrollar de forma independiente una vacuna contra la hepatitis B y ha logrado enormes beneficios sociales y económicos.
Los anticuerpos son una de las principales armas del sistema inmunológico humano para prevenir y tratar enfermedades. Aunque la tecnología de anticuerpos monoclonales fundada en la década de 1970 ha desempeñado un papel importante en la prevención y el tratamiento de enfermedades, su aplicación clínica ha sido limitada debido a la dificultad para obtener anticuerpos monoclonales humanos. Para solucionar este problema, también es posible asegurarse de que el funcionamiento sea normal. Por ejemplo, los anticuerpos monoclonales humanizados anti-HER-2 han entrado en ensayos de fase III para el cáncer de mama, y los anticuerpos monoclonales humanizados anti-IGE han entrado en ensayos de fase II para el asma.
Los antibióticos juegan un papel importante en el tratamiento de enfermedades. A medida que aumenta el número de antibióticos, la probabilidad de descubrir nuevos antibióticos mediante métodos tradicionales es cada vez menor. Para obtener más antibióticos nuevos, la tecnología de ADN recombinante se ha convertido en uno de los medios importantes.
Vale la pena señalar que los péptidos, proteínas, vacunas, antibióticos y otros fármacos preventivos y terapéuticos modificados genéticamente antes mencionados no sólo son eficaces en el control de enfermedades, sino que también son superiores a fármacos similares producidos por métodos tradicionales. métodos en términos de evitar efectos tóxicos y secundarios, por lo que son más populares entre la gente.
Las enfermedades humanas están directa o indirectamente relacionadas con los genes. El diagnóstico y tratamiento de enfermedades a nivel genético no sólo permite lograr la precisión y originalidad del diagnóstico de causas, sino también hacer que el diagnóstico y el tratamiento sean específicos, sensibles, simples y rápidos. El diagnóstico y tratamiento a nivel genético se denomina técnicamente diagnóstico genético y terapia génica. Para compensar la función de un gen que ha perdido su función, o para agregar alguna función para ayudar a corregir o eliminar células anormales.
En teoría, la terapia génica es una cura radical y sin efectos secundarios. Sin embargo, aunque hay más de 100 opciones de terapia génica en ensayos clínicos, la terapia génica todavía tiene ciertas dificultades teóricas y técnicas, lo que hace que este método de tratamiento esté lejos de ser aplicado a gran escala. Ya sea identificando causas genéticas, implementando diagnóstico genético, terapia génica o estudiando la patogénesis de una enfermedad, un requisito previo clave es comprender los genes asociados con una enfermedad específica. A medida que el "Proyecto Genoma Humano" se acerca a su finalización, los científicos tendrán una comprensión integral de todos los genes humanos, lo que creará las condiciones para utilizar la tecnología de recombinación genética para mejorar la salud humana.
Sin embargo, aunque la tecnología genética ha demostrado su maravilloso encanto "mago" para la humanidad, un gran número de científicos han expresado gran preocupación por el impacto del desarrollo de esta tecnología en la ética humana y las leyes naturales de la ecología. Preocupación. En teoría, un extremo del desarrollo de esta tecnología es dar a los humanos la capacidad de crear cualquier forma de vida o criatura que nunca antes haya existido. ¿Se puede imaginar cuál sería el resultado?
Un estudio realizado en 2014 por científicos demostró que sólo el 8% del ADN del cuerpo humano juega un papel importante, y el resto del ADN es "basura".
Según una investigación de la Universidad de Oxford en el Reino Unido, sólo el 8,2% del ADN humano desempeña un papel importante. El resto del ADN es un remanente de la evolución, al igual que el apéndice, que es inútil e inofensivo para el cuerpo humano. El Dr. Gurton Lunter, quien dirigió el estudio, dijo: "La mayor parte del ADN en el cuerpo humano no juega un papel importante, simplemente ocupa espacio". Evaluaciones anteriores han demostrado que el 80% del ADN humano es "funcional". o juega un papel importante. Esto significa que es importante separar el trigo de la paja, ya que garantizará que los investigadores médicos puedan centrarse en analizar el ADN relacionado con enfermedades y facilitar aún más el desarrollo de nuevos tratamientos. El profesor Chris Ponting, coautor del estudio, afirmó: "Este no es sólo un debate académico sobre la 'función' de la ambigüedad, sino también un paso necesario para explicar la diversidad genética de las enfermedades humanas desde una perspectiva médica".