Sinh học phân tử là một nhánh của khoa học khám phá cấu trúc và chức năng của các phân tử tạo nên sinh vật sống. Nó chủ yếu tập trung vào các phân tử DNA, RNA và protein, hiểu cách các phân tử này tương tác để hỗ trợ các quá trình sống.
Giáo điều trung tâm của sinh học phân tử mô tả dòng thông tin di truyền trong hệ thống sinh học. Nó được khớp nối thành DNA ➞ RNA ➞ Protein. Luồng thông tin này phác thảo cách mã di truyền chứa trong DNA được phiên mã thành RNA thông tin (mRNA) và sau đó được dịch thành một protein cụ thể.
DNA (Deoxyribonucleic Acid): DNA là phân tử chứa các chỉ dẫn di truyền cho sự phát triển, hoạt động, tăng trưởng và sinh sản của tất cả các sinh vật sống đã biết và nhiều loại virus.
RNA (Axit Ribonucleic): RNA là một phân tử polyme cần thiết cho nhiều vai trò sinh học khác nhau, bao gồm mã hóa, giải mã, điều hòa và biểu hiện gen.
Protein: Protein là các phân tử sinh học lớn thực hiện rất nhiều chức năng bên trong sinh vật, bao gồm xúc tác cho các phản ứng trao đổi chất, sao chép DNA, phản ứng với các kích thích và vận chuyển các phân tử từ vị trí này sang vị trí khác.
Cấu trúc của DNA là một chuỗi xoắn kép được hình thành bởi các cặp bazơ gắn vào khung đường phốt phát. Bốn bazơ được tìm thấy trong DNA: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T). Trình tự các bazơ này mã hóa thông tin di truyền.
Trong quá trình sao chép DNA, phân tử DNA được nhân đôi để truyền một bộ thông tin di truyền hoàn chỉnh đến tế bào con. Quá trình này rất quan trọng cho sự di truyền trong quá trình phân chia tế bào.
Phiên mã là quá trình trong đó thông tin trong chuỗi DNA được sao chép vào một phân tử RNA thông tin mới (mRNA). Sau khi mRNA được xử lý, nó sẽ được vận chuyển ra khỏi nhân vào tế bào chất để dịch mã.
Dịch mã là quá trình ribosome trong tế bào chất hoặc lưới nội chất tổng hợp protein sau quá trình phiên mã DNA thành RNA trong nhân tế bào. MRNA được giải mã để tạo ra một chuỗi axit amin cụ thể hoặc polypeptide, sau này sẽ gấp lại thành một protein hoạt động.
Mã di truyền là một tập hợp các quy tắc được các tế bào sống sử dụng để dịch thông tin được mã hóa trong vật liệu di truyền (chuỗi DNA hoặc mRNA) thành protein. Về cơ bản, nó là một ngôn ngữ xác định cách trình tự của ba nucleotide, được gọi là codon, xác định axit amin nào sẽ được thêm vào tiếp theo trong quá trình tổng hợp protein. Có 64 codon mã hóa 20 axit amin tiêu chuẩn, trong khi những codon khác báo hiệu sự bắt đầu hoặc kết thúc quá trình tổng hợp protein.
Ví dụ, trình tự AUG hoạt động như một codon khởi đầu và cũng mã hóa cho axit amin methionine. Mặt khác, các codon UAA, UAG và UGA đóng vai trò là tín hiệu dừng trong quá trình dịch mã.
Sinh học phân tử sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để hiểu chức năng di truyền và protein.
Phản ứng chuỗi polymerase (PCR): PCR là phương pháp được sử dụng để khuếch đại một đoạn DNA cụ thể. Kỹ thuật này cho phép tạo ra hàng triệu bản sao của một đoạn DNA từ một mẫu nhỏ ban đầu, hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phân tích chi tiết.
Điện di trên gel: Một kỹ thuật để tách các đoạn DNA hoặc protein dựa trên kích thước và điện tích của chúng. Các phân tử được đẩy bởi điện trường thông qua một lớp gel có chứa các lỗ nhỏ.
Giải trình tự: Giải trình tự DNA là quá trình xác định trình tự axit nucleic – thứ tự các nucleotide trong DNA. Nó bao gồm bất kỳ phương pháp hoặc công nghệ nào được sử dụng để xác định thứ tự của bốn bazơ: adenine, guanine, cytosine và thymine.
CRISPR-Cas9: CRISPR-Cas9 là một hệ thống chỉnh sửa bộ gen cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng thay đổi trình tự DNA và sửa đổi chức năng gen. Nó có ứng dụng trong lĩnh vực y học và nông nghiệp.
Những phát hiện về sinh học phân tử có ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế, điều trị và nghiên cứu về di truyền và sinh học phát triển.
Chẩn đoán và điều trị y tế: Các kỹ thuật như PCR và giải trình tự cho phép xác định các rối loạn di truyền và sự hiện diện của các tác nhân truyền nhiễm. Thông tin này có thể dẫn đến các liệu pháp nhắm mục tiêu và phương pháp điều trị bệnh.
Kỹ thuật di truyền: Bằng cách điều khiển DNA, các nhà khoa học có thể tạo ra các sinh vật có những phẩm chất cụ thể, chẳng hạn như thực vật có hàm lượng dinh dưỡng nâng cao hoặc khả năng chống lại sâu bệnh. Kỹ thuật di truyền cũng đã dẫn đến việc sản xuất protein điều trị, vắc xin và enzyme.
Nghiên cứu Ung thư: Các kỹ thuật sinh học phân tử làm sáng tỏ các cơ chế phân tử khiến tế bào ung thư phát triển không kiểm soát. Việc xác định các gen và protein cụ thể liên quan đến sự tiến triển của bệnh ung thư cho phép phát triển các liệu pháp nhắm mục tiêu.
Sinh học phân tử đã được nhấn mạnh bởi những thí nghiệm và khám phá quan trọng giúp nâng cao hiểu biết của chúng ta về sự sống ở cấp độ phân tử.
Thí nghiệm Hershey-Chase: Thí nghiệm này cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng DNA là vật liệu di truyền. Bằng cách dán nhãn các thực khuẩn thể (vi rút lây nhiễm vi khuẩn) bằng đồng vị phóng xạ, Hershey và Chase đã có thể chỉ ra rằng DNA, chứ không phải protein, chịu trách nhiệm về sự kế thừa thông tin di truyền.
Mô hình DNA của Watson-Crick: James Watson và Francis Crick, với sự đóng góp của Rosalind Franklin, đã đề xuất cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA vào năm 1953. Khám phá này rất quan trọng để hiểu cách thông tin di truyền được lưu trữ, sao chép và truyền trong các sinh vật sống.
Khám phá CRISPR-Cas9: Việc phát hiện ra hệ thống CRISPR-Cas9 đã cách mạng hóa sinh học phân tử. Ban đầu được nghiên cứu như một phần của hệ thống miễn dịch vi khuẩn, CRISPR-Cas9 hiện được sử dụng rộng rãi để chỉnh sửa bộ gen ở nhiều sinh vật khác nhau, cho phép thao tác chính xác các trình tự di truyền.
Sinh học phân tử bao gồm việc nghiên cứu các phân tử cấu thành nên sinh vật sống, đặc biệt là DNA, RNA và protein. Thông qua việc tìm hiểu các quá trình như sao chép, phiên mã và dịch mã DNA, sinh học phân tử làm sáng tỏ những chi tiết phức tạp của sự sống. Các kỹ thuật như PCR, điện di trên gel, giải trình tự và CRISPR-Cas9 đóng vai trò then chốt trong nghiên cứu và ứng dụng, từ điều trị y tế đến cải tiến nông nghiệp. Các thí nghiệm và khám phá tiên phong tiếp tục vượt qua ranh giới của sinh học phân tử, đưa ra những hiểu biết mới và đặt ra các câu hỏi về đạo đức, xã hội và pháp lý về sức mạnh thao túng bản chất của các thực thể sinh học.
