Moleculaire biologie is de studie van het leven op het niveau van atomen en moleculen. Stel bijvoorbeeld dat men zoveel mogelijk wil begrijpen van een regenworm. Op één niveau is het mogelijk de voor de hand liggende kenmerken van de worm te beschrijven, waaronder zijn grootte, vorm, kleur, gewicht, het voedsel dat hij eet, en de manier waarop hij zich voortplant.

Lang geleden ontdekten biologen echter dat een meer fundamenteel begrip van elk organisme kon worden verkregen door de cellen te bestuderen waaruit dat organisme is opgebouwd. Zij konden de structuren identificeren waaruit de cellen zijn opgebouwd, de manier waarop cellen veranderen, de stoffen die de cel nodig heeft om te overleven, de producten die de cel maakt, en andere cellulaire kenmerken.

De moleculaire biologie gaat nog een stap verder in deze analyse van het leven. Zij tracht de moleculen waaruit levende organismen zijn opgebouwd te bestuderen op ongeveer dezelfde wijze als scheikundigen elk ander soort molecuul bestuderen. Zij proberen bijvoorbeeld de chemische structuur van deze moleculen te achterhalen en de manier waarop deze structuur verandert tijdens verschillende levensprocessen, zoals voortplanting en groei. Bij hun onderzoek maken moleculair biologen gebruik van ideeën en instrumenten uit vele verschillende wetenschappen, waaronder scheikunde, biologie en natuurkunde.

Het centrale dogma

Het sleutelprincipe dat de moleculaire biologie domineert, staat bekend als het centrale dogma. (Een dogma is een gevestigde overtuiging.) Het Centrale Dogma is gebaseerd op twee feiten. Het eerste feit is dat de hoofdrolspelers in de manier waarop een cel functioneert, eiwitten zijn. Eiwitten zijn zeer grote, complexe moleculen die zijn opgebouwd uit kleinere eenheden, aminozuren genaamd. Een typisch eiwit kan bijvoorbeeld bestaan uit een paar duizend aminozuurmoleculen die end-to-end met elkaar verbonden zijn. Eiwitten spelen een groot aantal rollen in de cellen. Zij zijn de bouwstenen waaruit celstructuren worden gemaakt; zij fungeren als hormonen (chemische boodschappers) die boodschappen overbrengen van het ene deel van een cel naar het andere of van de ene cel naar de andere cel; en zij fungeren als enzymen, verbindingen die de snelheid waarmee chemische reacties in cellen plaatsvinden, versnellen.

Het tweede basisfeit is dat eiwitten in cellen worden opgebouwd op basis van masterplannen die zijn opgeslagen in moleculen die bekend staan als desoxyribonucleïnezuren (DNA) en die aanwezig zijn in de celkern. DNA-moleculen bestaan uit zeer lange ketens van eenheden, nucleotiden genaamd, die aan elkaar vastzitten. De volgorde waarin de nucleotiden zijn gerangschikt, fungeert als een soort code die een cel vertelt welke eiwitten hij moet maken en hoe hij ze moet maken.

Woorden om te weten

Aminozuur: Een organische verbinding waaruit eiwitten worden gemaakt.

Cel: de basiseenheid van een levend organisme; cellen zijn gestructureerd om zeer gespecialiseerde functies uit te voeren.

Cytoplasma: de halfvloeibare substantie van een cel die organellen bevat en door het celmembraan omsloten is.

DNA (desoxyribonucleïnezuur): Het genetisch materiaal in de celkern dat informatie bevat voor de ontwikkeling van een organisme.

Enzym: een van de vele complexe eiwitten die door levende cellen worden geproduceerd en specifieke biochemische reacties teweegbrengen.

Hormoon: Een chemische stof die in levende cellen wordt geproduceerd en door het bloed wordt vervoerd naar organen en weefsels in verafgelegen delen van het lichaam, waar het de cellulaire activiteit regelt.

Nucleotide: Een eenheid waaruit DNA-moleculen worden gemaakt.

Eiwit: Een complexe chemische verbinding die bestaat uit vele aminozuren die aan elkaar vastzitten en die essentieel zijn voor de structuur en het functioneren van alle levende cellen.

Ribosoom: Kleine structuren in cellen waar eiwitten worden geproduceerd.

Het Centrale Dogma is dus zeer eenvoudig en kan als volgt worden uitgedrukt:

DNA → mRNA → eiwitten

Wat deze vergelijking in woorden zegt, is dat de code die in DNA-moleculen in de kern van een cel is opgeslagen, eerst wordt geschreven in een ander soort molecuul dat boodschapperribonucleïnezuur (mRNA) wordt genoemd. Zodra ze zijn opgebouwd, verlaten mRNA-moleculen de celkern en reizen uit de kern naar het cytoplasma van de cel. Zij hechten zich aan ribosomen, structuren in het cytoplasma waar de eiwitproductie plaatsvindt. Aminozuren die in overvloed aanwezig zijn in het cytoplasma worden dan naar de ribosomen gebracht door een ander soort RNA, transfer RNA (tRNA), waar zij worden gebruikt om nieuwe eiwitmoleculen te construeren. De structuur van deze moleculen wordt gedicteerd door mRNA-moleculen, die op hun beurt structuren hebben die oorspronkelijk door DNA-moleculen zijn gedicteerd.

Betekenis van de moleculaire biologie

De ontwikkeling van de moleculaire biologie heeft een nieuwe en geheel andere manier opgeleverd om levende organismen te begrijpen. Wij weten nu bijvoorbeeld dat de functies die een cel vervult, in chemische termen kunnen worden beschreven. Stel dat we weten dat een cel rood haar maakt. Wat we geleerd hebben is dat de reden waarom de cel rood haar maakt is dat DNA-moleculen in zijn kern een gecodeerde boodschap dragen voor het maken van rood haar. Die gecodeerde boodschap gaat van het DNA van de cel naar zijn mRNA. Het mRNA stuurt vervolgens de productie van roodhaar-eiwitten.

Hetzelfde kan worden gezegd voor elke celfunctie. Misschien is een cel verantwoordelijk voor het produceren van antilichamen tegen infecties, of voor het maken van het hormoon insuline, of voor het samenstellen van een geslachtshormoon. Al deze celfuncties kunnen worden gespecificeerd als een reeks chemische reacties.

Maar als dat feit eenmaal is gerealiseerd, dan heeft de mens opwindende nieuwe manieren om met levende organismen om te gaan. Als de hoofdarchitect van de celfuncties een chemische molecule is (DNA), dan kan die molecule worden veranderd, net als elke andere chemische molecule. Als en wanneer dat gebeurt, worden ook de functies die de cel vervult, veranderd. Om deze redenen wordt de ontwikkeling van de moleculaire biologie door velen beschouwd als een van de grootste revoluties in de gehele wetenschappelijke geschiedenis.