Asal Biologi Molekuler

Posted on 03-10-2013

Bidang biologi molekuler muncul dari konvergensi kerja oleh ahli genetika, fisikawan, dan ahli kimia struktural pada masalah yang umum: struktur dan fungsi gen. Pada awal abad kedua puluh, meskipun bidang baru lahir genetika dipandu oleh hukum segregasi Mendel (dua alel gen yang terpisah, yaitu, memisahkan, selama pembentukan sel-sel kuman sehingga masing-masing sel kuman memiliki satu tetapi tidak yang lain) dan hukum perpasangan bebas (gen dalam kelompok-kelompok yang berbeda hubungan bergaul secara independen dalam pembentukan sel-sel germinal), mekanisme yang sebenarnya reproduksi gen, mutasi dan ekspresi tetap tidak diketahui. Thomas Hunt Morgan dan rekan-rekannya memanfaatkan lalat buah,
Drosophila, sebagai model organisme untuk mempelajari hubungan antara gen dan kromosom dalam proses turun temurun (Morgan 1926; dibahas dalam Darden 1991; Darden dan Maull 1977; Kohler 1994; Roll- Hanson 1978; Wimsatt 1992). Seorang mantan mahasiswa Morgan, Hermann J. Muller, mengakui “gen sebagai dasar kehidupan,” dan berangkat untuk menyelidiki struktur (Muller 1926). Muller menemukan efek mutagenik sinar-X pada Drosophila, dan dimanfaatkan fenomena ini sebagai alat untuk mengeksplorasi ukuran dan sifat dari gen (Carlson 1966, 1971, 1981; Gagak 1992; Muller 1927). Tapi meskipun kekuatan mutagenesis, diakui Muller bahwa, sebagai ahli genetika, ia terbatas pada sejauh mana ia bisa menjelaskan sifat-sifat yang lebih mendasar gen dan tindakan mereka. Dia menyimpulkan esai 1936: “The genetika sendiri tidak berdaya untuk menganalisis sifat ini lebih lanjut. Di sini fisika, serta kimia, harus melangkah masuk Siapa yang akan relawan untuk melakukannya “(Muller 1936, 214)?

Permintaan Muller tidak pergi terjawab. Dekade berikutnya melihat beberapa fisikawan terkenal mengalihkan perhatian mereka pada pertanyaan biologis warisan (Keller 1990; Kendrew 1967). Dalam Apakah Hidup?, Fisikawan Erwin Schroedinger (1944) mengusulkan cara-cara di mana prinsip-prinsip fisika kuantum mungkin account untuk stabilitas, namun berubah-ubah, dari gen (lihat entri pada kehidupan). Schroedinger berspekulasi bahwa gen mungkin semacam tidak teratur “kristal aperiodik” memainkan peran dalam buku ini banyak dipengaruhi ilmuwan muda, fisikawan serta ahli biologi, mengingat jalan baru penelitian (Elitzur 1995; Moore “keturunan kode script.” 1989; Olby 1994, 240-247; Sarkar 1991; untuk reinterpretasi yang melihat Kay 2000, 59-66).

Sebuah dampak yang lebih substantif datang dari migrasi Max Delbrueck ke dalam biologi. Delbrueck menjadi tertarik pada dasar fisik keturunan setelah mendengar ceramah oleh gurunya, fisikawan kuantum Niels Bohr (1933), yang menguraikan prinsip komplementaritas antara fisika dan biologi (McKaughan 2005; Roll-Hansen 2000). Berbeda dengan Schroedinger, Bohr (dan kemudian Delbrueck) tidak berupaya untuk mengurangi biologi untuk fisika; sebaliknya, tujuannya adalah untuk memahami bagaimana disiplin masing-masing melengkapi yang lain (Delbrueck 1949). Delbrueck, dengan kerangka dalam pikiran, mengunjungi laboratorium terbang Morgan pada tahun 1937. Namun, bukannya mengalihkan perhatian ke Drosophila, Delbrueck dipertimbangkan bahkan buah terbang terlalu kompleks untuk mengungkap karakteristik unik dari kehidupan: diri-reproduksi. Delbrueck memilih untuk menggunakan bakteriofag, virus yang menginfeksi bakteri dan kemudian kalikan dengan sangat cepat. Pembentukan “Kelompok fag” di awal 1940-an oleh Delbrueck dan lain-berpaling-fisika biologi Salvador Luria menandai titik kritis dalam kebangkitan biologi molekuler (Brock, 1990; Cairns dkk 1966;. Fischer dan Lipson 1988; Fleming 1968 ; Lewontin 1968; Luria 1984; Morange 1998, Bab 4;. stent 1968). Sebuah eksperimen fag terkenal oleh Alfred Hershey dan Martha Chase (1952) dilacak komponen kimia dari fag saat mereka memasuki bakteri. Hasil memberikan bukti, menambahkan dengan pekerjaan sebelumnya Oswald Avery terhadap bakteri (Avery et al 1944.), Bahwa gen tidak protein tetapi asam deoksiribonukleat (DNA).

Sementara Delbrueck memfasilitasi kolaborasi antara fisikawan dan ahli biologi, dia sebagian besar meremehkan rincian kimia yang menjembatani bidang ini. Hal ini kontras dengan rekan Delbrueck di Cal Tech, Linus Pauling, yang dimanfaatkan pengetahuan kimia struktural untuk mempelajari struktur makromolekul. Pauling melakukan keduanya karya teoretis dan eksperimental penting dalam perkembangan selanjutnya biologi molekuler. Karya teoretisnya pada sifat ikatan kimia yang diberikan pemahaman tentang bagaimana makromolekul besar bisa stabil (Pauling 1939). Konsep makromolekul yang stabil, meliputi kedua protein dan asam nukleat, merupakan prasyarat untuk mempelajari struktur mereka (Olby 1979). Pauling, berbeda dengan ahli biokimia, mempelajari bentuk-bentuk ikatan yang lemah, seperti ikatan hidrogen. Bentuk-bentuk yang lebih lemah dari ikatan kemudian ditemukan untuk memainkan peran penting dalam struktur dan fungsi protein dan asam nukleat (Crick, 1996; Sarkar 1998). Laboratorium Pauling di Cal Tech juga menggunakan teknik x-ray kristalografi. Ini menyediakan sarana untuk menyelidiki struktur molekul. Sinar-X membombardir molekul kiri gambar unik pada pelat fotografi karena difraksi sinar-x oleh molekul. Menggabungkan metodologi ini kuat dengan membangun model skala, Pauling menemukan struktur heliks alfa-protein (Pauling dan Corey 1950;. Pauling et al 1951), dan akhirnya melirik pada struktur DNA (Pauling dan Corey 1953; untuk perawatan sejarah penelitian ini lihat Hager 1995; Pauling 1970).

Menyadari cukup dini pentingnya pendekatan kimia baru fisik dan struktural untuk biologi, Warren Weaver, maka direktur bagian Ilmu Pengetahuan Alam dari Rockefeller Foundation, memperkenalkan “biologi molekuler” dalam sebuah laporan tahun 1938 untuk Foundation. Weaver menulis,

Dan secara bertahap ada datang ke menjadi cabang baru ilmu-molekul biologi yang mulai mengungkap banyak rahasia tentang unit utama dari sel hidup …. Di mana teknik-teknik modern yang halus yang digunakan untuk menyelidiki rincian semakin menit hidup tertentu proses. (Dikutip dalam Olby 1994, 442)

Tapi mungkin account lebih menceritakan asal istilah berasal dari penjelasan Francis Crick mengapa ia mulai menyebut dirinya seorang ahli biologi molekul: “Saya sendiri terpaksa menyebut diriku seorang ahli biologi molekuler karena ketika bertanya pendeta menanyakan apa yang saya lakukan, saya bosan menjelaskan bahwa saya adalah campuran crystallographer, biofisika, biokimia, dan genetika, penjelasan yang dalam hal apapun mereka menemukan terlalu sulit untuk memahami “(dikutip dalam stent 1969, 36).

Crick disebutkan dia, sebagian, ahli biokimia. Demikian juga, Michel Morange (1998) berkata, “biologi molekuler adalah hasil dari pertemuan antara genetika dan biokimia, dua cabang dari biologi yang dikembangkan pada awal abad kedua puluh.” Kedua ahli biologi molekular dan biokimia tidak (dan terus) bekerja pada tingkat ukuran yang sama dan menyelidiki beberapa mekanisme yang sama, seperti sintesis protein. Namun, dua bidang itu lintasan sejarah yang berbeda.

Sejarah awal dari dua bidang mungkin agak menyederhanakan dibagi menurut dua Aristoteles fitur hidup: biokimia prihatin dengan gizi (recharacterized sebagai metabolisme lebih umum) dan biologi molekuler (bersama dengan lebih langsung pendahulunya genetika klasik) reproduksi diselidiki. Berbeda dengan biologi molekular, biokimia muncul sebagai sebuah bidang di awal abad kedua puluh. Ini ditelusuri akarnya untuk kimia hewan dan kimia medis dari abad kesembilan belas (Kohler 1982). Banyak fokus biokimia (dari perspektif apa yang penting untuk pertanyaan biologi molekuler tentang bahan genetik) adalah pada protein dan enzim. Gen, biasanya perhatian sedikit ahli biokimia, dianggap protein sampai bukti yang mendukung DNA mulai muncul pada 1940-an dan 50-an. Dalam buku teks biokimia sebelum tahun 1953, asam nukleat (DNA dan asam ribonukleat, RNA) diasingkan ke sebuah bab kecil. Penemuan dari dua puluh beberapa asam amino, blok bangunan protein, adalah prestasi besar biokimia awal abad kedua puluh. Produk yang menarik bagi ahli biokimia adalah ikatan kovalen (sebuah bentuk ikatan kimia yang kuat, yang menghubungkan asam amino dalam protein), aksi enzim (protein yang bertindak sebagai katalis dalam reaksi biokimia), dan kebutuhan energi untuk reaksi terjadi. Setelah (1953a) penemuan Watson dan Crick struktur DNA, biokimia menunjukkan peningkatan penekanan pada asam nukleat (lihat, misalnya, White dkk ‘s Prinsip-prinsip Biokimia. Dari tahun 1954 sampai edisi berikutnya, misalnya, White et al. 1978).

Ini rekapitulasi singkat asal-usul biologi molekuler mencerminkan tema ditangani oleh para filsuf, seperti pengurangan (lihat Bagian 3.1) dan konsep gen (lihat Bagian 2.3). Untuk Schroedinger, biologi harus dikurangi dengan prinsip-prinsip yang lebih mendasar fisika, sementara Delbrueck bukannya menolak penurunan itu dan mencari apa yang membuat biologi yang unik. Pergeseran Muller dari genetika klasik untuk mempelajari struktur gen menimbulkan pertanyaan tentang hubungan antara konsep klasik dan molekul gen. Isu-isu ini akan diperiksa di bawah ini