Molekyylibiologia on elämän tutkimusta atomien ja molekyylien tasolla. Oletetaan esimerkiksi, että halutaan ymmärtää mahdollisimman paljon kastemadosta. Yhdellä tasolla on mahdollista kuvata madon ilmeisiä ominaisuuksia, kuten sen kokoa, muotoa, väriä, painoa, ruokaa, jota se syö, ja tapaa, jolla se lisääntyy.

Kauan sitten biologit kuitenkin havaitsivat, että perustavamman ymmärryksen mistä tahansa organismista voi saada tutkimalla soluja, joista kyseinen organismi koostuu. He pystyivät tunnistamaan rakenteet, joista solut koostuvat, tavan, jolla solut muuttuvat, aineet, joita solu tarvitsee selviytyäkseen, solun valmistamat tuotteet ja muut solujen ominaisuudet.

Molekyylibiologia vie tätä elämän analysointia askeleen pidemmälle. Se pyrkii tutkimaan molekyylejä, joista elävät organismit koostuvat, pitkälti samalla tavalla kuin kemistit tutkivat minkä tahansa muunlaista molekyyliä. He yrittävät esimerkiksi selvittää näiden molekyylien kemiallista rakennetta ja sitä, miten tämä rakenne muuttuu eri elämänprosessien, kuten lisääntymisen ja kasvun, aikana. Molekyylibiologit käyttävät tutkimuksessaan ideoita ja välineitä monista eri tieteistä, kuten kemiasta, biologiasta ja fysiikasta.

Keskusdogma

Molekyylibiologiaa hallitseva keskeinen periaate tunnetaan nimellä keskusdogma. (Dogma on vakiintunut uskomus.) Keskusdogma perustuu kahteen tosiasiaan. Ensimmäinen tosiasia on, että minkä tahansa solun toiminnan avaintekijät ovat proteiineja. Proteiinit ovat hyvin suuria, monimutkaisia molekyylejä, jotka koostuvat pienemmistä yksiköistä, joita kutsutaan aminohapoiksi. Tyypillinen proteiini voi esimerkiksi koostua muutamasta tuhannesta aminohappomolekyylistä, jotka on liitetty toisiinsa päästä päähän. Proteiineilla on monia tehtäviä soluissa. Ne ovat rakennusaineita, joista solun rakenteet koostuvat; ne toimivat hormoneina (kemiallisina viestinviejinä), jotka välittävät viestejä solun yhdestä osasta toiseen tai solusta toiseen soluun; ja ne toimivat entsyymeinä eli yhdisteinä, jotka nopeuttavat soluissa tapahtuvia kemiallisia reaktioita.

Toinen perustavanlaatuinen tosiasia on, että proteiinit rakentuvat soluissa solujen ytimissä oleviin deoksiribonukleiinihapoiksi (DNA) kutsuttuihin molekyyleihin tallennettujen yleissuunnitelmien perusteella. DNA-molekyylit koostuvat hyvin pitkistä ketjuista yksiköitä, joita kutsutaan nukleotideiksi ja jotka on liitetty toisiinsa päittäin. Nukleotidien järjestys toimii eräänlaisena koodina, joka kertoo solulle, mitä proteiineja sen on valmistettava ja miten ne valmistetaan.

Tiedossa olevat sanat

Aminohappo: Orgaaninen yhdiste, josta tehdään proteiineja.

Solu: Elävän organismin perusyksikkö; solut on rakennettu suorittamaan pitkälle erikoistuneita toimintoja.

Sytoplasma: Solun puolijuokseva aine, joka sisältää organelleja ja jota solukalvo ympäröi.

DNA (deoksiribonukleiinihappo): Solujen ytimessä oleva perintöaines, joka sisältää tietoa eliön kehitystä varten.

Entsyymi: Mikä tahansa lukuisista monimutkaisista proteiineista, joita elävät solut tuottavat ja jotka käynnistävät tiettyjä biokemiallisia reaktioita.

Hormoni: Elävissä soluissa tuotettu kemikaali, joka kulkeutuu veren mukana elimistön kaukana sijaitseviin elimiin ja kudoksiin, joissa se säätelee solujen toimintaa.

Nukleotidi: Yksikkö, josta DNA-molekyylit muodostuvat.

Proteiini: Monimutkainen kemiallinen yhdiste, joka koostuu monista toisiinsa kiinnittyneistä aminohapoista, jotka ovat välttämättömiä kaikkien elävien solujen rakenteelle ja toiminnalle.

Ribosomi: Pienet rakenteet soluissa, joissa proteiineja tuotetaan.

Keskusdogma on siis hyvin yksinkertainen ja se voidaan ilmaista seuraavasti:

DNA → mRNA → proteiinit

Tämä yhtälö kertoo sanoin, että solun tumaan DNA-molekyyleihin tallennettu koodi kirjoitetaan ensin toisenlaiseen molekyyliin, jota kutsutaan sanansaattajaribonukleiinihapoksi (mRNA). Kun mRNA-molekyylit ovat rakentuneet, ne lähtevät ytimestä ja kulkeutuvat ulos ytimestä solun sytoplasmaan. Ne kiinnittyvät ribosomeihin, sytoplasmassa oleviin rakenteisiin, joissa proteiinien tuotanto tapahtuu. Sytoplasmassa runsaasti esiintyvät aminohapot tuodaan sitten ribosomeihin toisenlaisen RNA:n, transfer-RNA:n (tRNA) avulla, jossa niitä käytetään uusien proteiinimolekyylien rakentamiseen. Näiden molekyylien rakenteen sanelevat mRNA-molekyylit, joiden rakenteet puolestaan ovat alun perin DNA-molekyylien sanelemia.

Molekyylibiologian merkitys

Molekyylibiologian kehitys on tarjonnut uuden ja täysin erilaisen tavan ymmärtää eläviä organismeja. Tiedämme nyt esimerkiksi, että solun suorittamat toiminnot voidaan kuvata kemiallisin termein. Oletetaan, että tiedämme solun valmistavan punaisia hiuksia. Olemme oppineet, että solu tekee punaisia hiuksia siksi, että sen ytimessä olevat DNA-molekyylit kuljettavat koodattua viestiä punaisten hiusten tekemisestä. Tämä koodattu viesti siirtyy solun DNA:sta sen mRNA:han. Tämän jälkeen mRNA ohjaa punaisen karvan proteiinien tuotantoa.

Samaa voidaan sanoa mistä tahansa solun toiminnasta. Ehkä solu on vastuussa vasta-aineiden tuottamisesta infektioita vastaan tai insuliinihormonin valmistamisesta tai sukupuolihormonin kokoamisesta. Kaikki nämä solutoiminnot voidaan määritellä joukoksi kemiallisia reaktioita.

Mutta kun tämä tosiasia on oivallettu, ihmisillä on jännittäviä uusia tapoja käsitellä eläviä organismeja. Jos solutoimintojen pääarkkitehti on kemiallinen molekyyli (DNA), tätä molekyyliä voidaan muuttaa, kuten mitä tahansa muuta kemiallista molekyyliä. Jos ja kun näin tapahtuu, myös solun suorittamat toiminnot muuttuvat. Näistä syistä monet pitävät molekyylibiologian kehitystä yhtenä tieteen historian suurimmista mullistuksista.