Moleculaire biologie: waaruit bestaat deze discipline?

Moleculaire biologie legt samen met biochemie en genetica een reeks interdisciplinaire verbanden die essentieel zijn voor het verkrijgen van wetenschappelijke kennis. Wij vertellen je over de grondbeginselen en de meest gebruikte praktijken.

Geschreven en geverifieerd door el biólogo Samuel Antonio Sánchez Amador.

Laatste update: 26 mei, 2023

Moleculaire biologie is een wetenschappelijke discipline binnen de biologie die verantwoordelijk is voor het bestuderen van de processen die plaatsvinden in levende wezens vanuit moleculair oogpunt. Dat wil zeggen, het kleinste deel van een chemische stof dat zijn eigenschappen behoudt.

Het Human Genome Project (Engelse link), gelanceerd om alle genen van onze soort in kaart te brengen, geeft de volgende definitie van moleculaire biologie: “De studie van de structuur, functie en samenstelling van biologisch belangrijke moleculen.”

Het gaat om moleculen. We betreden een wereld die voor velen onbekend is, tussen opwindende termen die hun basis in de meeste gevallen baseren op abstracte concepten die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog.

De twee macromoleculen van het leven

Volgens het tijdschrift Nature (Engelse link) is moleculaire biologie meer een benadering dan een instrument, dat erop gericht is verder te kijken dan grootschalige waarneembare biologische manifestaties. Daartoe baseren moleculaire biologen zich op de studie van twee essentiële macromoleculen. We vertellen je hieronder meer over.

DNA

DNA of deoxyribonucleïnezuur is het macromolecuul van het leven, omdat het de genetische instructies bevat die worden gebruikt bij de ontwikkeling en groei van alle levende organismen. Het is ook verantwoordelijk voor de erfelijke overdracht of, wat hetzelfde is, de evolutie van de soort in de loop van de tijd.

We kunnen DNA zien als een soort ‘bibliotheek’, aangezien de nucleotiden daarin in een bepaalde volgorde zijn gekoppeld. Deze subeenheden, verbonden door fosfodi-esterbindingen, geven aanleiding tot de individuele DNA-streng. Deze ketting, antiparallel met een andere verweven, vormt de dubbele helix.

Elk nucleotide bevat op zijn beurt een stikstofhoudende base waaraan het zijn naam ontleent. Dit kunnen de volgende zijn: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en, in het geval van DNA, thymine (T). De volgorde van de stikstofhoudende basen in de DNA-keten genereert verschillende ‘zinnen’, die coderen voor de eiwitten die aanleiding geven tot de structuur en functie van organismen.

Eiwitten

Het tweede macromolecuul waarop de moleculaire biologie is gebaseerd, is eiwit. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren, die zijn gecodeerd in de ‘zinnen’ die elke drie basenparen van DNA worden gevormd. Laten we een voorbeeld geven:

CCA→ cytosine (C), cytosine (C), adenine (A)→ Proline

Het DNA-segment met de nucleotiden gerangschikt op een CCA-manier zal dus coderen voor de synthese van het aminozuur proline. Door transcriptie en translatie – processen die buiten het bereik van deze ruimte vallen – zorgt RNA ervoor dat DNA-instructies naar ribosomen worden getransporteerd, waar eiwitten worden geassembleerd.

Eiwitten zijn dus polymeren die worden gevormd door een associatie van aminozuren in een specifieke volgorde. Zijn functie is structurele, bioregulerende en immuunafweer. Als een interessant feit zullen we zeggen dat eiwitten ongeveer 50% van het droge gewicht van de meeste van onze weefsels vertegenwoordigen.

Verwante wetenschappelijke disciplines

We hebben de twee belangrijkste studiemoleculen van de moleculaire genetica al beschreven, maar welke andere disciplines begeleiden je in de zoektocht naar kennis? Wij laten het je zien.

Biochemie

Biochemie is een tak van wetenschap die de chemische samenstelling van levende wezens bestudeert, met name eiwitten, koolhydraten, lipiden en nucleïnezuren. In tegenstelling tot de moleculaire biologie richt het zich meer op de metabolische processen die deze verbindingen ondergaan in de lichamen van levende wezens.

Een voorbeeld hiervan is de beschrijving van de synthese van glucose uit glycogeen. Deze wetenschap is verantwoordelijk voor het onderzoeken van de enzymen die bij dit proces betrokken zijn en alle tussenproducten die de volledige reactie mogelijk maken. Als het ware ‘brengt’ het de stofwisseling van levende wezens in kaart.

Genetica

Wanneer DNA betrokken is bij de studie van een wetenschappelijk gebied, is genetica vereist. De discipline probeert te begrijpen hoe biologische overerving via DNA van generatie op generatie wordt overgedragen. Het probeert te voorspellen hoe mutaties, individuele genen en hun interacties het fenotype van levende wezens beïnvloeden.

Kenmerken van moleculaire biologie

We hebben de twee studie-macromoleculen en de twee takken van aanvullende wetenschap die de moleculaire biologie helpen de kennis te verkrijgen waarop ze is gebaseerd, al beschreven. Toch moeten we nog tastbaarder omkaderen wat professionals op dit gebied werkelijk doen. Laten we enkele voorbeelden bekijken:

• Onderzoek samen met genetica: de structuur, functie en regulatie die genen uitoefenen op het organisme.
• Bestuderen van de structuren: van de cellulaire bloedlichaampjes en hun functies binnen elk celtype – mitochondria, kern, ribosomen en andere.
• Onderzoek samen met biochemie: de kinetiek en samenstelling van enzymen.
• Bestuderen van de gedetailleerde samenstelling van bepaalde moleculen: in verschillende soorten levende wezens. Kennis die de tak van fylogenetica ondersteunt.
• Verklaren van het biologische gedrag van macromoleculen in de cel: dus de fysiologische functies van een levend wezen beschrijven op basis van deze moleculaire kennis.

Deze jonge wetenschap, die in de jaren 1930 als officiële wetenschappelijke discipline werd bedacht, is in expansie en voortdurende groei. Met nieuwe onderzoeksmethoden kunnen we steeds vaker onderliggende processen beschrijven die voor het menselijk oog onzichtbaar zijn. Natuurlijk is het werk van de moleculaire biologie nog maar net begonnen.

Belangrijkste technieken van moleculaire biologie

We hebben de basis gelegd, maar we moeten het praktische gedeelte nog doen. Het is tijd om ons te verdiepen in de technieken en instrumenten die het mogelijk maken om al deze kennis te verwerven. Hier presenteren we de belangrijkste technieken die worden gebruikt in de moleculaire biologie.

1. Elektroforese

Volgens het National Human Genome Research Institute (NIH – Engelse link) wordt elektroforese gedefinieerd als een techniek die in het laboratorium wordt gebruikt om DNA, RNA of eiwitten te scheiden op basis van hun grootte en elektrische lading.

De meeste moleculen zijn elektrisch geladen en bewegen zich daarom met een bepaalde snelheid in een elektrisch veld. Door deze op een papier of een gel geplaatste monsters onder elektrische stroom te zetten, ontstaat een duidelijke scheiding. De kleinere moleculen bewegen sneller door het medium naar de pool die hen aantrekt, terwijl de grotere achterblijven.

Dit snelheidsverschil door de porositeit van de gel of het papier stelt wetenschappers in staat om een reeks banden in het medium waar te nemen die relevante informatie verschaffen. Je kunt bijvoorbeeld de grootte van onbekende DNA-segmenten achterhalen als er een eerder bandpatroon beschikbaar is.

2. PCR

De koning van de technieken. PCR, bekend als de polymerase kettingreactie, stelt PCR onderzoekers in staat zeer kleine fragmenten DNA te amplificeren. Dat wil zeggen, in korte tijd een groot aantal kopieën van een specifiek segment te maken.

Dit kan bijvoorbeeld helpen bij het diagnosticeren van een ziekte. Als genetisch materiaal van een virus wordt gevonden in een monster van een patiënt, kan het na amplificatie veel gemakkelijker worden opgespoord met andere volgende technieken.

3. Wijziging van genetische eigenschappen

Hoe verrassend het ook mag lijken, de moleculaire biologie heeft mensen in staat gesteld nieuwe genen te introduceren in cellen van organismen die ze niet zouden hebben. Hierdoor kunnen onderzoekers bijvoorbeeld leren hoe de expressie van een gen het organisme beïnvloedt of een eiwitfabriek creëren, die wordt gecodeerd door het ingebrachte gen.

Dit is het geval met insuline, aangezien het gen dat het codificeerde bij mensen werd geïntroduceerd in een stam van E. coli en van daaruit massaproductie van het hormoon kon worden uitgevoerd, dankzij deze gemodificeerde bacteriën voor mensen met diabetes.

Enkele praktische toepassingen van moleculaire biologie

De rondleiding door de moleculaire biologie eindigen we met enkele praktische toepassingen in verschillende industrieën voor menselijk gebruik. Het bedrijf IBIAN Technologies (Spaanse link) laat ons op een duidelijke en beknopte manier de voordelen van deze wetenschap zien. Hier zijn enkele voorbeelden:

• Creatie van transgene planten: planten die resistent kunnen zijn tegen bepaalde ziekten, zich beter kunnen aanpassen aan ruwe omgevingen of een verhoogde voedingswaarde hebben.
• Versnelde groei: van sommige soorten van landbouwkundig belang.
• Genetische verbeteringen in bacteriestammen: waardoor ze aminozuren, vitaminen, vaccins en een groot aantal verbindingen voor menselijk gebruik synthetiseren.
• Productie van medicijnen: effectiever die op hun beurt minder bijwerkingen hebben.

Zoals we kunnen zien, blijft de kennis van de moleculaire biologie niet beperkt tot het op papier staan. Door het biologische gedrag van moleculen in cellen te kennen, konden mensen enkele sleutelprocessen in verschillende levende wezens wijzigen, wat zich vertaalt in medische en economische voordelen.

De toekomst ligt in de handen van de wetenschap

Zoals we in deze regels hebben willen uitdrukken, is het ons duidelijk dat de moleculaire biologie, samen met vele andere wetenschappelijke disciplines, de toekomst van de wetenschap is. Door de studie van DNA, eiwitten en andere moleculen heeft deze tak van biologie geleid en zal leiden tot vele belangrijke vorderingen voor de verbetering van de moderne samenleving.

Het meest relevante begrip van al het bovenstaande is het volgende: moleculaire biologie is een benadering die probeert de fysiologische processen van levende wezens te beschrijven aan de hand van de moleculen waaruit ze bestaan. Vanaf hier is de sky the limit of, in dit geval, het genoom zelf.