Biologia molecular

De Viquipèdia

La biologia molecular és la part de la biologia que estudia els éssers vius i els fenòmens vitals conformement a les propietats de la seva estructura molecular. Aquest camp se solapa amb altres àrees de la biologia i la química, en particular amb la genètica, la biologia de sistemes i la bioquímica. La biologia molecular busca comprendre les interaccions entre els diversos sistemes cel·lulars, incloent-hi les relacions entre ADN, ARN i la síntesi de proteïnes, així com aprendre com estan regulades aquestes interaccions.

Taula de continguts 1 Relació amb altres ciències biològiques de l'escala molecular 2 Tècniques de la biologia molecular 2.1 ADN recombinant 2.2 Clonatge per a la expressió de proteïnes 2.3 Reacció en cadena de la polimerasa (PCR) 2.4 Electroforesi en Gel 2.5 Transferència de Southern 2.6 Transferència Northern 2.7 Transferència Western i immunoquímica 3 Història 4 Per saber-ne més 4.1 Notes 4.2 Vegeu també 4.3 Biòlegs moleculars notables 5 Enllaços externs 6 Referències

[edita] Relació amb altres ciències biològiques de l'escala molecular

Els biòlegs moleculars utilitzen tècniques específiques que van néixer amb la biologia molecular (veure la secció "Tècniques" més endavant en aquest article), però d'una manera cada cop més important combinen aquestes amb altres tècniques i idees provinents dels camps de la genètica, la bioquímica, la biologia estructural i la biofísica. De manera que avui dia ja no hi ha una línia de demarcació clara entre aquestes disciplines. La següent figura mostra un esquema que podria il·lustrar llurs relacions:

• La Bioquímica és l'estudi de les substàncies químiques i dels processos vitals que s'esdevenen en els organismes vius.

• La Genètica és l'estudi dels efectes de les diferències genètiques sobre els organismes. Sovint, aquests efectes es poden inferir de l'absència d'un component "normal" (per exemple, un gen). D'aquesta manera, també es pot definir la genètica com l'estudi dels organismes "mutants" que manquen d'un o més components funcionals respecte del així anomentat fenotip "normal" o "salvatge". Cal tenir en compte que interaccions genètiques tals com l'epistasi poden, de vegades, complicar l'anàlisi de resultats genètics, com els obtinguts mitjançant la tècnica del "knock-out".

• La Biologia estructural s'ocupa de l'estudi de la forma, és a dir, de l'estructura i configuració, en les tres dimensions de l'espai, de les molècules biològiques. Aquest problema és adreçat mitjançant diverses tècniques: Microscopia electrònica, Cristal·lografia de raigs-X, Resonància Magnètica Nuclear, entre d'altres.

• La Biologia molecular és l'estudi de les bases moleculars dels processos de replicació, transcripció i traducció del material genètic. El dogma central de la biologia molecular ("DCBM") sosté que el material genètic en forma d'ADN és transcrit a ARN i aquest traduït a proteïna. Malgrat ser una aproximació molt simplificada del procès vital essencial de la transmissió entre generacions de la informació genètica, aquest dogma encara constitueix una bona imatge des de la que començar a entendre aquest camp de la biologia i la mentalitat de la gran majoria dels seus investigadors. Tanmateix, aquesta imatge està sotmesa, tot i que molt lentament, a un procès de revisió, fonamentalment a la llum de les noves funcions atribuïdes al ARN, així com a l'existència de proteïnes de tipus prió.

Bona part del treball fet pels biòlegs moleculars és quantitatiu, i des de dates recents, una part important d'aquest treball s'ha fet a l'interfície entre la biologia molecular i la ciència computacional, en el que s'anomena bioinformàtica o biologia computacional. Al mateix temps, des dels 1990s, l'estudi de l'estructura i la funció dels gens, conegut com genètica molecular, ha estat una de les sub-àrees més prominents de la biologia molecular.

Cada cop més camps de la biologia s'interessen per molècules, ja sigui directament per l'estudi de llurs interaccions segons són observades en aquests camps, tals com el de la biologia cel·lular o la biologia del desenvolupament, ja sigui de manera indirecta, quan les tècniques de la biologia molecular s'utilitzen per inferir atributs històrics de poblacions o espècies, com en alguns camps de la biologia evolutiva tals com la genètica de poblacions o la filogenètica.

Les tècniques de la biologia molecular, en particular els sistemes de clonatge i de sobre-expressió de proteïnes, han suposat un accelerador fenomenal per a la biologia estructural, àrea de la biologia que estudia l'estructura tridimensional de les biomolècules. En relació amb la biologia estructural, cal esmentar la llarga tradició d'estudiar les biomolècules "des de la base" per part de la biofísica.

[edita] Tècniques de la biologia molecular

Des de finals de la dècada del 1950 i principis de la dècada del 1960, els biòlegs moleculars han après a caracteritzar, aïllar i manipular els components moleculars de cèl·lules i organismes. Aquest components inclouen:

• L'ADN, dipositari de la informació genètica segons el DCBM
• Els ARNs, també àcids nucleics les funcions dels quals van des de servir de còpia temporal de l'ADN fins a funcions enzimàtiques i estructurals pròpies, com en el cas del sistema de traducció
• Les proteïnes, que constitueixen el principal tipus de molècula estructural i enzimàtica de les cèl·lules

[edita] ADN recombinant

Article principal: ADN recombinant

La tècnica de l'ADN recombinant és sens dubte la que històricament ha estat més important en el desenvolupament del camp de la biologia molecular. Una molècula d'ADN és diu recombinant quan la seqüència que la composa prové de diverses fonts, siguin del mateix o de diversos organismes. La recombinació de l'ADN dins un organisme és un procès natural, essencial per a l'evolució del tot ésser vius. Junt amb la mutació és un dels principals motors de creació de la diversitat necessària per afrontar els canvis mediambientals i, en conseqüència, una peça clau de la selecció natural.

Les tècniques de l'ADN recombinant permeten combinacions artificials de molècules d'ADN provinents, en general, de diferents organismes. Així, es pot combinar un ADN amb un promotor que permet expressar un gen en un bacteri, amb un ADN que contingui un gen d'un organisme eucariota, per exemple un gen humà. El resultat serà una molècula d'ADN recombinant capaç d'expressar dins un bacteri la proteïna codificada en aquest gen eucariota. Els bacteris que continguin aquest ADN recombinant són doncs organismes genèticament modificats, car llur material genètic ha estat modificat artificialment.

Aquestes tècniques han permès l'estudi de la funció de gran quantitat de proteïnes, tant en sistemes in vivo controlats, com in vitro, desprès de llur aïllament i purificació.

[edita] Clonatge per a la expressió de proteïnes

Una de les tècniques bàsiques de la biologia molecular en l'estudi de les funcions de les proteïnes és la clonació per a llur producció o expressió. En aquesta tècnica l'ADN que codifica la proteïna d'interès és clonat, mitjançant per exemple l'ús de la PCR o d'enzims de restricció, en un vector, generalment un plasmidi, que en aquest cas s'anomena vector d'expressió. Aquest plasmidi pot tenir elements especials de control al promotor que dirigeix la producció de la proteïna. També pot incloure marcadors de resistència a antibiòtics que permetin mantenir el plasmidi a les cèl·lules que produiran la proteïna.

Aquest plasmidi pot ser inserit en cèl·lules d'origen bacterià o eucariota. La seva introducció en cèl·lules bacterianes s'anomena transformació i es pot aconseguir per diferents mètodes que poden ser químics (usant cations bivalents com el calci o rubidi) o d'una altra natura, com en el cas de l'electroporació o la conjugació. La introducció del plasmidi en una cèl·lula eucariota s'anomena transfecció. Com en el cas anterior, hi ha diverses tècniques de transfecció, incloent-hi la transfecció mitjançant fosfat de calci, la transfecció per liposomes i mitjançant agents comercials, com per exemple Fugene. L'ADN també es pot introduir en les cèl·lules a travès de virus o bacteris patògens com a vehicles. En aquests casos la tècnica rep el nom de transducció viral or bacteriana i les cèl·lules obtingudes es diuen "transducides".

En qualsevol cas, l'ADN que codifica la proteïna d'interès és ara a l'interior d'una població de cèl·lules, de manera que la proteïna pot ser sintetitzada per aquestes, és a dir, expressada. Hi ha una gran varietat de sistemes per a obtenir una expressió en grans quantitats. Aquests inclouen entre d'altres, promotors induïbles i factors específics de senyalització cel·lular. Un cop posat a punt el sistema, es de vegades possible extreure grans quantitats d'aquesta proteïna a partir de les cèl·lules modificades. Es pot probar l'activitat enzimàtica d'aquesta proteïna, si en té, o es pot fer cristal·litzar de manera que la seva estructura pugui ser analitzada per mitjà de la cristal·lografia de raigs-X. També es poden trobar els efectes sobre ella d'inhibidors i drogues que puguin derivar en substàncies terapèutiques.

[edita] Reacció en cadena de la polimerasa (PCR)

Article principal: PCR

La reacció en cadena de la polimerasa, coneguda com a PCR de l'anglès "Polymerase Chain Reaction" és una tècnica extremadament versàtil per a copiar ADN. Resumidament, la PCR permet que unes poques molècules d'ADN contenint una seqüència determinada puguin ser copiades milions de cops. En aquest procès de còpia es poden incloure determinades alteracions que permeten usar la PCR per a introduir llocs de restricció o modificar l'aminoàcid codificat en un determinat punt de la seqüència. Entre altres innumerables usos, la PCR es pot fer servir per determinar si un fragment particular d'ADN és present en una genoteca de ADNc.

[edita] Electroforesi en Gel

Article principal: Electroforesi en gel

L'electroforesi en gel és una de les eines fonamentals de la biologia molecular. El seu principi bàsic és que les molècules d'ADN, ARN i les proteïnes poden ser separades, en funció de llur masses moleculars i càrrega elèctrica, en un camp elèctric. L'electroforesi en gels d'agarosa s'utilitza sovint per separar ADN i ARN, tot i que res no impideix emprar-la per separar proteïnes, en especial les d'alta massa molecular, així com complexes entre proteïnes i ADN. Per la seva banda, la electroforesi en gels d'acrilamida s'empra habitualment, sobre tot en la seva vessant desnaturalitzant mitjançant l'ús del detergent aniònic SDS (acrònim en anglès del dodecil sulfat de sodi), per separar proteïnes. Hi ha diverses tècniques segons els gels siguin natius, és a dir els que conserven el plegament natural de la molècula, o desnaturalitzants, que són aquells que destrueixen aquest plegament. Entre els primers la separació sol fer-se en funció de la relació massa/càrrega, mentre que als segons aquella relació és normalitzada i la separació és produeix en funció de la massa: en el cas dels gels de SDS-acrilamida, la quantitat de SDS, detergent amb forta càrrega negativa, que s'uneix a les proteïnes és aproximadament proporcional a llur massa, de manera que totes les proteïnes acaben, idealment, amb la mateixa relació massa/càrrega. Un altre cas particular d'electroforesi nativa de proteïnes és el de l'isoelectroenfoc, en la que les proteïnes son separades d'acord amb el seu punt isoelèctric.

[edita] Transferència de Southern

Article principal: Transferència de Southern

La Transferència de Southern és una tècnica emprada per treure informació sobre la massa molecular i l'abundància relativa d'un ADN que contigui una determinada seqüència d'interès. Aquest assaig va ser desenvolupat inicialment per Edwin Southern, de qui va prendre nom. Consisteix en una combinació d'electroforesi en gel d'ADN (sovint prèviament fragmentat mitjançant digestió amb enzims de restricció), seguida d'una electro-transferència de l'ADN així separat a una membrana. Aquesta membrani s'incuba amb una sonda marcada, sigui radioactivament o d'una altra manera. Durant la incubació la sonda hibrida, és a dir: s'uneix amb la seva seqüència complementària. Una sèrie de rentats eliminen la sonda no hibridada i seguidament es pot procedir a la detecció del senyal degut a la marca de la sonda. En el cas d'una marca radioactiva, la membrana es posa en contacte amb una auto-radiografia, que un cop revelada mostra una imatge en la que es pot localitzar on s'ha produït la hibridació de la sonda. La intensitat del senyal és, en principi, proporcional a l'abundància relativa de la seqüència reconeguda per la sonda.

[edita] Transferència Northern

Article principal: Transferència Northern

La Transferència Northern s'utilitza per a estudiar els patrons d'expressió d'un tipus concret de molècules d'ARN en comparació amb un conjunt de diferents mostres d'ARN. Consisteix essencialment en una combinació de electroforesi desnaturalitzant de ARN, seguida d'una electro-transferència a una membrana. El principi és doncs, el mateix que el de la Transferència Southern i és per aquesta analogia que rep el seu nom aquesta tècnica.

En aquest cas, la intensitat del senyal observat es correlaciona amb l'abundància del ARN reconegut per la sonda. Aquest procediment s'utilitza sovint per estudiar l'expressió d'un determinat gen en un teixit o tipus cel·lular i en un moment concret del cicle vital. És, doncs, una de les eines bàsiques per a determinar en què moments s'expressen determinats gens en els teixits vius.

[edita] Transferència Western i immunoquímica

Article principal: Transferència Western

Es poden crear anticossos contra la major part de les proteïnes pel procediment d'injectar-ne petites quantitats en animals com ratolí, conill o pollastre. Aquests anticossos es poden llavors utilitzar com sondes en una gran varietat de tècniques analítiques i preparatives.

En la Transferència Western, les proteïnes se separen en primer lloc per la seva mida en un gel de SDS-acrilamida. Seguidament s'electro-transfereixen a una membrana on resten immobilitzades. Aquesta membrana pot ser incubada amb diferents anticossos, que s'uniran específicament a les proteïnes contra les quals van ser obtinguts. La visualització d'aquesta unió es pot obtenir de diverses maneres, comunment per mitjà de marques quimio-luminiscents or radioactives.

[edita] Història

La biologia molecular es va començar a establir com a camp de la biologia en els anys trenta, en resposta al repte que suposava copsar l'estructura i la funció dels gens. El terme biologia molecular va ser emprat per primer cop per Warren Weaver el 1938^[1]. En aquella època, Weaver era director de la secció de Ciències naturals de la Rockefeller Foundation.

Tanmateix, no va ser fins als anys 1950s-1970s que la biologia molecular no es va començar a dibuixar com la disciplina que coneixem avui dia. Entre les fites que van contribuir a aquest procès cal destacar:

• El model de la doble hèlix d'ADN, de Watson i Crick al 1953.^[2][3]
• El model de control genètic dit de l'operó, de Jacob i Monod al 1961.^[4]
• El desenvolupament, en els 1970s, de les tècniques dites de l'ADN recombinant.

[edita] Per saber-ne més

• Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell

4th Edition, Routledge, March, 2002, hardcover, 1616 pages, 7.6 pounds, ISBN 0815332181

3th Edition, Garland, 1994, ISBN 0815316208 2nd Edition, Garland, 1989, ISBN 0824036956

[edita] Notes

1. ^ Olby, Robert (1970), “Francis Crick, DNA, and the Central Dogma”, in Gerald Holton (ed.), The Twentieth Century Sciences. New York: W. W. Norton, 227-280.
2. ^ Watson, J. D. and F. H. C. Crick (1953a), “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Nature 171: 737-738.
3. ^ Watson, J. D. and F. H. C. Crick (1953b), “Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid”, Nature 171: 964-967.
4. ^ Jacob, Francois and Jacques Monod (1961), “Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins”, Journal of Molecular Biology 3: 318-356.

[edita] Vegeu també

• Biologia cel·lular (estructures i components de les cèl·lules)
• Estructura de l'ADN i dels cromosomes
• Síntesi proteica (transcripció de l'ADN a ARN, traducció d'aquest a proteïna)
• Genoma
• Principals publicacions en biologia molecular
• Lista de temes de la biologia molecular
• Proteoma
• Diversitat i estructura de les proteïnes

[edita] Biòlegs moleculars notables

• Christiane Nüsslein-Volhard
• Frederick Sanger
• Francis Crick
• Francois Jacob
• James D. Watson
• Max Perutz
• Rosalind Franklin
• Susumu Tonegawa

[edita] Enllaços externs

• BioDirectory: Search Engine for Biological Web Resources
• Nature Reviews Molecular Cell Biology
• Nature Structural & Molecular Biology
• Stanford Encyclopedia of Philosophy entry
• The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology
• Western Blot Protocol Resources

[edita] Referències

• Cohen, S.N., Chang, A.C.Y., Boyer, H. & Heling, R.B. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70, 3240 – 3244 (1973).
• Rodgers, M. The Pandora's box congress. Rolling Stone 189, 37 – 77 (1975).

Principals camps de la Biologia
Anatomia | Astrobiologia | Bioinformàtica | Biologia cel·lular | Biologia del desenvolupament | Biologia estructural | Biologia de l'evolució | Biologia humana | Biologia marina | Biologia molecular | Bioquímica | Botànica | Ecologia | Fisiologia | Genètica | Genòmica | Microbiologia | Origen de la vida | Paleontologia | Parasitologia | Taxonomia | Zoologia