Sinh học phân tử là gì?

Sinh học phân tử là lĩnh vực Sinh học nghiên cứu về cấu trúc hóa học và thành phần của các phân tử tế bào cũng như cách thức các phân tử này tương tác trong sinh vật.

Lĩnh vực sinh học phân tử tập trung đặc biệt vào axit nucleic (ADN, ARN) và protein – các đại phân tử cần thiết cho quá trình sống – và cách các phân tử này tương tác và hoạt động trong tế bào.

Sinh học phân tử xuất hiện vào những năm 1930, phát triển từ các lĩnh vực liên quan đến Hóa sinh, Di truyền, Miễn dịch, Tế bào học và Lý sinh.

Mối quan hệ phức tạp của gen và protein

Gen là các đoạn thông tin được lưu trữ trên các phân tử axit nucleic khổng lồ và protein là các phân tử theo đúng nghĩa của chúng, khiến cả hai đại phân tử này (và mối quan hệ giữa chúng) trở nên cực kỳ quan trọng để nghiên cứu.

Các nhà sinh học phân tử làm việc để xác định và hiểu các phần của con đường sinh học. Protein có thể:

  • Điều tiết và tác động lẫn nhau
  • Đáp lại tín hiệu từ gen
  • Đáp ứng các tín hiệu từ bên ngoài tế bào

Chuỗi dài các tương tác này là điều mà nhiều nhà sinh học phân tử tìm cách ghi lại đầy đủ. Mỗi bước trong lộ trình chức năng đều là thứ mà bệnh có thể phá vỡ hoặc thuốc có thể nhắm tới. Hiểu được vai trò của từng phân tử như vậy là rất quan trọng để hiểu được các khía cạnh phức tạp hơn về cách sinh vật sống và hoạt động.

Các nhà sinh học phân tử cũng có thể tìm cách hiểu cấu trúc của một phân tử, bao gồm các chi tiết như vị trí và hình dạng của các vị trí hoạt động trên protein, ảnh hưởng đến cách thức hoạt động của phân tử. Việc thu thập thông tin này không chỉ cung cấp kiến ​​thức cơ bản về cách hoạt động của sinh học mà còn giúp thông báo nỗ lực của các nhà khoa học khác đang tìm cách thao túng sinh học đó. Những nhà khoa học đó bao gồm các nhà thiết kế thuốc và kỹ sư di truyền.

Sự khác biệt trong sinh học phân tử, hóa sinh và di truyền học

Sinh học phân tử có nhiều điểm chung với hai ngành khoa học liên quan: hóa sinh và di truyền học. Cả ba ngành khoa học đều quan tâm đến các chi tiết về cách thức hoạt động của các sinh vật ở cấp độ phân tử. Tuy nhiên, mỗi loại tập trung vào một lĩnh vực khác nhau và có những ứng dụng khác nhau.

Hóa sinh

Hóa sinh thường dành nhiều sự chú ý hơn cho các phân tử khác ngoài protein. Lĩnh vực này cũng tập trung vào axit nucleic và các tác động hóa học xảy ra khi có lượng chất lớn hơn, chẳng hạn như tác dụng của nọc độc. Ngoài ra, hóa sinh sử dụng nhiều phương pháp dựa trên nghiên cứu hóa học hữu cơ.

Di truyền học

Di truyền học tập trung đặc biệt vào các đặc điểm di truyền và sự thay đổi trong mã di truyền ảnh hưởng đến sinh vật như thế nào. Việc tập trung vào khả năng di truyền này có nghĩa là di truyền học thường được nghiên cứu tốt nhất ở cấp độ dân số, khiến hướng nghiên cứu này trở thành một lĩnh vực có quy mô lớn hơn nhiều so với sinh học phân tử.

Mỗi lĩnh vực trong số ba lĩnh vực này chồng chéo và ảnh hưởng đến những lĩnh vực khác. Đặc biệt, di truyền học đã chia sẻ nhiều điều với sinh học phân tử, đặc biệt là liên quan đến vai trò của ARN.

ARN vừa có thể lưu trữ thông tin như ADN vừa thực hiện các chức năng hoạt động như protein.

Phương pháp nghiên cứu sinh học phân tử trong phòng Lab

Sinh học phân tử có lẽ nổi tiếng nhất nhờ bộ phương pháp thí nghiệm đặc biệt. Các nhà sinh học phân tử sử dụng rộng rãi:

  • Tách dòng phân tử (Molecular cloning)
  • Polymerase
  • Kỹ thuật PCR
  • Kỹ thuật điện di gel (Gel electrophoresis)
  • Kỹ thuật lai phân tử (Blotting)

Những kỹ thuật này tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập, cô lập và định lượng các phân tử quan tâm.

Nghiên cứu cấu trúc protein và axit nucleic được hưởng lợi từ một bộ kỹ thuật khác, chẳng hạn như tinh thể học tia X (X-ray crystallography). Nhiều nhà sinh học phân tử sử dụng rộng rãi mô hình máy tính và các phương pháp Tin Sinh (Bioinformatics) trong công việc của họ.

Các kỹ thuật hiện đại, đặc biệt là những kỹ thuật được phát triển cho di truyền học, cũng đang làm thay đổi tiến trình nghiên cứu sinh học phân tử.

Ngoài ra, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được phát triển cho sinh học phân tử, mặc dù các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này cũng có thể sử dụng các phương pháp và kỹ thuật có nguồn gốc từ di truyền học và các lĩnh vực liên quan chặt chẽ khác.

Đặc biệt, sinh học phân tử tìm cách hiểu cấu trúc ba chiều của các đại phân tử sinh học thông qua các kỹ thuật như nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử.

Bộ môn này đặc biệt tìm cách hiểu cơ sở phân tử của các quá trình di truyền; các nhà sinh học phân tử lập bản đồ vị trí của gen trên các nhiễm sắc thể cụ thể, liên kết các gen này với các đặc điểm cụ thể của sinh vật và sử dụng kỹ thuật di truyền (công nghệ ADN tái tổ hợp) để phân lập tách dòng gen, giải trình tự gen và chỉnh sửa các gen cụ thể. Những cách tiếp cận này cũng có thể bao gồm các kỹ thuật như phản ứng chuỗi polymerase , phương pháp Western blot, Southern blot và phân tích microarray.

Trong thời kỳ đầu của thập niên 1940, lĩnh vực sinh học phân tử quan tâm đến việc làm sáng tỏ cấu trúc ba chiều cơ bản của protein.

Kiến thức ngày càng tăng về cấu trúc của protein vào đầu những năm 1950 đã cho phép cấu trúc củaaxit deoxyribonucleic (ADN)—bản thiết kế di truyền được tìm thấy trong mọi sinh vật sống—được mô tả vào năm 1953.

Những nghiên cứu sâu hơn cho phép các nhà khoa học thu được kiến ​​thức ngày càng chi tiết không chỉ về ADN và axit ribonucleic (ARN) mà còn về các trình tự hóa học bên trong các chất này hướng dẫn các tế bào và virus tạo ra protein.

Sinh học phân tử vẫn là một ngành khoa học cơ bản thuần túy với ít ứng dụng thực tế cho đến những năm 1970, khi một số loại enzyme được phát hiện có thể cắt và tái tổ hợp các đoạn ADN trong nhiễm sắc thể của một số vi khuẩn. Những enzyme này được đặt tên là enzyme cắt giới hạn (Restriction Enzyme).

Kết quả, công nghệ ADN tái tổ hợp đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu tích cực nhất của sinh học phân tử vì cho phép thao tác các trình tự di truyền xác định các đặc tính cơ bản của sinh vật.

Gần đây nhất, khi đại dịch COVID-19 xảy ra, những kết quả nghiên cứu kéo dài hàng thập kỷ của nhiều nhóm khoa học xuất sắc trong lĩnh vực Sinh học phân tử đã ngay lập tức được ứng dụng để phát triển thành các loại vaccine phòng chống virus Corona như các vacine của các hãng Pfizer, Moderna…