Gēns – dezoksiribonukleīnskābes (DNS) molekulas daļa, kas nes molekulāru iedzimtības faktoru. Proteīns – no aminoskābēm sastāvoša polimēriska makromolekula ar noteiktām funkcijām dzīvā organismā.

Molekulārās bioloģijas jēdziens radās 20. gs. pirmajā pusē, kad dziļākas izpratnes iegūšanai par iedzimtības mehānismiem bija nepieciešams kombinēt ģenētikas, ķīmijas un fizikas zinātņu nozares, aplūkot bioloģiskus objektus un norises molekulārā līmenī. Pirmo reizi jēdzienu “molekulārā bioloģija” lietoja amerikāņu zinātnieks, Rokfellera fonda (Rockefeller Foundation) Dabas zinātņu sekcijas direktors Vorens Vīvers (Warren Weaver) 1938. gadā, atskaitoties par gadā paveikto zinātnisko darbu Rokfellera fondam. 

Molekulārā bioloģija cieši saistīta un daļēji pārklājas ar bioķīmiju un ģenētiku. Pretstatā bioķīmijai, kas fokusējas uz bioloģisko procesu ķīmiskajiem aspektiem, un ģenētikai, kas pēta gēnu asociāciju ar dažādiem faktoriem, molekulārā bioloģija fokusējas uz ģenētiskās informācijas pārnesi no gēniem uz proteīniem. To nodrošina trīs galvenie procesi: replikācija, transkripcija un translācija. Molekulārā bioloģija ietver elementus no fizikas (piemēram, kristalogrāfijas), ķīmijas (piemēram, organiskās ķīmijas), medicīnas (piemēram, molekulārās medicīnas) un informātikas (bioinformātikas) nozarēm. 

Molekulārā bioloģija sniedz ieskatu dzīvības procesos: šūnu augšanā, vairošanā, kustīgumā, elpošanā, barošanā. Izzinot šos procesus, iespējams tajos iejaukties un tos vadīt. Plašākais molekulārās bioloģijas praktiskais pielietojums ir medicīnā. Piemēram, zinot atšķirības baktēriju un cilvēku ribosomu uzbūvē, iespējams radīt antibiotikas, kas selektīvi bloķē tikai baktēriju ribosomu funkcijas, kavējot to augšanu un likvidējot infekciju. Molekulāro bioloģiju pielieto arī kriminālistikā (piemēram, bioloģiska materiāla identitātes noteikšanai), lauksaimniecībā (piemēram, pesticīdu un herbicīdu izstrādē), selekcijā (piemēram, ģenētiski modificētu šķirņu izveidē).

Molekulārās bioloģijas pamatā ir novērojums, ka ģenētiskā informācija var tikt pārnesta: 1) no DNS uz DNS un no ribonukleīnskābes (RNS) uz RNS – replikācija, 2) no DNS uz RNS – transkripcija, 3) no RNS uz DNS – reversā transkripcija, 4) no RNS uz proteīniem – translācija (1. attēls). Tipiski ģenētiskā informācija plūst no DNS uz RNS, un pēc tam – no RNS uz proteīniem. Reversā transkripcija un RNS replikācija novērojama reti, galvenokārt vīrusu dzīves ciklos.

DNS replikācija ir process, kura laikā no vienas DNS molekulas tiek izveidotas divas jaunas identiskas DNS molekulas. DNS sastāv no nukleotīdiem – ķīmiskiem savienojumiem, kas sastāv no trim daļām: fosforskābes atlikuma, ribozes un purīna vai pirimidīna slāpekļa bāzes. Kombinējot fosforskābes atlikumu un ribozi ar divām dažādām purīnu un divām dažādām pirimidīnu bāzēm, iegūst četrus nukleotīdus: adenīnu, timīnu, guanīnu un citozīnu. Nukleotīdi kalpo kā būvbloki, kurus savienojot noteiktā secībā, iegūst vienpavediena DNS. Veidojoties divpavediena DNS dubultspirālei, starp nukleotīdiem pastāv komplementaritāte (vienas atslēgas – vienas slēdzenes princips) – ūdeņraža saites savā starpā spēj veidot tikai adenīns ar timīnu un guanīns ar citozīnu (2. attēls).

Līdz ar to precīzai dubultspirāles rekonstruēšanai nepieciešama tikai viena ķēde. Replikācija sastāv no trim stadijām: iniciācijas, elongācijas un terminācijas. Iniciācijas stadijā pre-replikācijas proteīnu kompleksi (pre-replication complex) piesaistās DNS, atvij dubultspirāli un stabilizē vienpavediena DNS. Izveidojas Y veida struktūra, ko sauc par replikācijas dakšu (replication fork). Proteīns praimāze (primase) uz vienpavediena DNS sintezē nelielus, komplementārus RNS fragmentus. Elongācijas stadijā DNS polimerāze (DNA polymerase) pagarina šos fragmentus, pievienojot jaunā nukleotīda 3` fosfogrupu pie ribozes 5` hidroksilgrupas (3. attēls).

Tā kā DNS polimerāze jauno ķēdi spēj sintezēt tikai vienā virzienā, izveidojas vadošā ķēde, kur DNS polimerāze nepārtraukti sintezē jauno ķēdi replikācijas dakšas virzienā, un atpaliekošā ķēde, kur DNS polimerāze pa nelieliem gabaliem sintezē jauno ķēdi prom no replikācijas dakšas. Elongācijas stadiju noslēdz DNS ligāze (DNA ligase), kas savieno jaunsintezētos fragmentus nepārtrauktā ķēdē. Replikācijas terminācija notiek, satiekoties divām replikācijas dakšām vai arī sasniedzot lineāras DNS molekulas galu.

Transkripcija ir process, kura laikā no DNS tiek sintezēta RNS kopija. RNS sintezēšanas procesa pamatā arī ir komplementaritātes princips, bet atšķirībā no DNS sintezēšanas timīna nukleotīda vietā ir uracils, deoksiribozes vietā – riboze, un RNS var būt gan vienpavediena, gan divpavedienu. Eksistē trīs dažādu veidu RNS: mRNS (matricas RNS), tRNS (transporta RNS) un rRNA (ribosomālā RNS). mRNS kalpo kā informācijas matrica tālākai proteīna sintēzei translācijas laikā, tRNS piedalās aminoskābju transportēšanā translācijā, bet rRNS kopā ar ribosomālajiem proteīniem veido ribosomas. Transkripcijas iniciācijas fāzes laikā RNS polimerāze (RNA polymerase) piestiprinās promoteram – specifiskam DNS reģionam (4. attēls).

RNS polimerāze pēc tam atvij DNS dubultspirāli, izveidojot transkripcijas burbuli (transcription bubble). Seko elongācijas fāze, kuras laikā RNS polimerāze no DNS sintezē komplementāru RNS pavedienu. Transkripcijas pārtraukšana jeb terminācija notiek dažādos veidos. Prokariotos termināciju izraisa pašas mRNS sekundāro struktūru veidošanās vai regulējošu proteīnu piesaistīšanās. Eikariotos terminācija notiek pēc vairāku adenīna nukleotīda atkārtojumu sasniegšanas. Regulācija var notikt pirms transkripcijas, transkripcijas laikā, gan arī pēc transkripcijas. Īpaši svarīgs regulācijas process ir eikariotos novērojamais RNS splaisings (RNA splicing), kura laikā no mRNS tiek izgrieztas proteīnus nekodējošas sekvences (introni) un savienotas proteīnus kodējošās sekvences (eksoni). Līdz ar to no viena gēna iegūst vairākus proteīnus. Reizēm viens gēns var kodēt pat desmitiem un simtiem dažādu proteīna paveidu jeb izoformu.

Translācija ir process, kura laikā ribosomas (īpaši proteīnu un RNS veidoti kompleksi) sintezē proteīnus, “pārtulkojot” jeb translējot mRNS esošo informāciju aminoskābju sekvences veidā. Ģenētiskā informācija no mRNS tiek pārnesta uz aminoskābēm tripletu veidā – trīs secīgi nukleotīdi kodē vienu aminoskābi. Aminoskābes pašas par sevi nespēj atpazīt mRNS, tāpēc tās tiek piestiprinātas pie starpnieka – tRNS, kura ar antikodonu sekvenci spēj atpazīt mRNS kodonus. Translācija sastāv no trim stadijām: iniciācijas, elongācijas un terminācijas. Iniciācijas laikā notiek ribosomas piesaistīšanās pie mRNS, ko nodrošina regulatori proteīni – translācijas faktori. Elongācijas laikā ribosoma virzās pa mRNS, nolasot to, piesaistot attiecīgās tRNS ar aminoskābēm un sintezējot jauno proteīna ķēdi (5. attēls). Translācija tiek pabeigta, ribosomai sasniedzot stop kodonu. Sasniedzot stop kodonu, ribosomai pievienojas atlaišanas faktors (release factor), kurš izraisa jaunsintezētā proteīna atdalīšanos no ribosomas un ribosomas atdalīšanos no mRNS.

Makromolekulu (DNS, RNS un proteīnu) atpazīšanai, sekvences noteikšanai, pavairošanai, mijiedarbības pētīšanai un aktivitātes noteikšanai pielieto vispārīgās molekulārās bioloģijas metodes – molekulāro klonēšanu, elektroforēzi, polimerāzes ķēdes reakciju, blotēšanu un sekvencēšanu. Viena no plašāk izmantotajām metodēm ir molekulārā klonēšana (molecular cloning), kurā tiek izveidota rekombinanta DNS. Par rekombinantu DNS sauc jebkuru dabā neatrodamu hibrīdu DNS, kas tiek izveidota savienojot dažādas DNS laboratorijas apstākļos. Interesējošais DNS fragments tiek ievietots vektorā, kas parasti ir plazmīda – neliela, cirkulāra DNS molekula, kas dabiski atrodama baktērijās. Šādu rekombinantu DNS var tālāk sekvencēt, pavairot un ekspresēt. Rekombinantās DNS izmantošana proteīnu producēšanā sniedz vairākas priekšrocības – lielākus iznākumus, plašākas iespējas efektīvāk attīrīt proteīnu un modificēt proteīna sekvenci. Elektroforēze balstās uz to, ka makromolekulas migrācijas ātrums elektriskajā laukā cauri gēlam ir apgriezti proporcionāls tās izmēriem. Līdz ar to makromolekulas gēlā sadalās atbilstoši izmēriem – mazākās migrē ātrāk, lielākās lēnāk. Makromolekulu veidotās zonas vizualizē, salīdzina ar standartiem un izdara secinājumus par parauga sastāvu un tīrību. Polimerāzes ķēdes reakcija (polymerase chain reaction, PCR) ir metode, ar kuras palīdzību pavairo DNS molekulu tūkstošiem līdz miljoniem reižu. Metodes pamatā ir termālā ciklēšana, ar kuras palīdzību DNS dubultspirāle tiek denaturēta (abi dubultspirāles pavedieni tiek atdalīti viens no otra) augstākā temperatūrā un pavairota zemākā temperatūrā. Metode ir ļoti jutīga, un to var izmantot diagnostiskos nolūkos, piemēram, nosakot cilvēka imūndeficīta vīrusa (human immunodeficiency virus, HIV) daudzumu asinīs. Blotēšana (blot) pamatojas uz specifisku makromolekulu mijiedarbības detektēšanu, izmantojot ar radioaktīviem izotopiem, fluorescenti vai enzimātiski iezīmētas zondes mijiedarbību ar analizējamo paraugu. Ja izmanto DNS zondi, metodi sauc par Sauzerna blotēšanu (Southern blot). Ja kā zondi izmanto RNS, metodi sauc par norzerna blotēšanu (northern blot). Ja kā zondi izmanto antivielas, metodi sauc par vesterna blotēšanu (western blot). Precīzas DNS sekvences noskaidrošanai izmanto Sangera sekvencēšanu (Sanger sequencing) (metode izveidota 1975. gadā), bet ātrākas, jaudīgākas un lētākas ir pirosekvencēšana (pyrosequencing), Ion Torrent sekvencēšana (Ion Torrent sequencing), Illumina sekvencēšana (Illumina sequencing), SOLiD sekvencēšana (SOLiD sequencing) un nanoporu sekvencēšana (nanopore sequencing). Ar modernām sekvencēšanas metodēm iespējams noteikt cilvēka genoma sekvenci dažu dienu laikā.

Molekulārās bioloģijas saknes meklējamas divos nozīmīgos 19. gs. atklājumos bioloģijā – angļu dabas pētnieka Čārlza Darvina (Charles Robert Darwin) evolūcijas teorijā (1859) un austriešu biologa Gregora Mendela (Gregor Johann Mendel) atklājumos par iedzimtību (1865). Mendeļa atklājumi par organismos esošajiem diskrētajiem iedzimtību nesošajiem faktoriem, kas nesajaucas savā starpā, apgāza tolaik plaši izplatīto sajauktās iedzimtības (blending inheritance) teoriju, saskaņā ar kuru visas vecāku organismu īpašības tiek neatgriezeniski samaisītas un šādā veidā nodotas pēcnācējiem. Tomēr plašu ievērību Mendeļa darbs ieguva tikai ap 19./20. gs. miju, kad vairāki autori neatkarīgi cits no cita pētījumos apstiprināja Mendeļa eksperimentu rezultātus un iegūtās atziņas. 1902. gadā amerikāņu ģenētiķis un ārsts Volters Satons (Walter Stanborough Sutton) izvirzīja hromosomālās iedzimtības teoriju, sasaistot iedzimtību nesošos faktorus ar hromosomām, bet 1911. gadā amerikāņu biologs Tomass Morgans (Thomas Hunt Morgan) ar eksperimentiem augļu mušiņās sniedza dziļāku ieskatu par gēniem, to lineāro izkārtojumu hromosomās un rekombināciju. 1944. gadā kanādiešu amerikāņu ārsts Osvalds Eiverijs (Oswald Theodore Avery) ar kolēģiem veica eksperimentus ar virulentiem un nekaitīgiem baktērijas Pneumococcus celmiem un demonstrēja, ka gēnus veidojošā substance ir DNS.

Reizē ar progresu makromolekulu kristalogrāfijā sākās strauja attīstība molekulārajā bioloģijā. DNS dubultspirāles struktūra tika atklāta 1953. gadā, ko paveica angļu molekulārais biologs Frānsiss Krīks (Francis Harry Compton Crick) un amerikāņu molekulārais biologs Džeimss Vatsons (James Dewey Watson). Kā pirmā proteīna struktūra 1958. gadā tika atklāta mioglobīna struktūra, ko paveica angļu bioķīmiķis un kristalogrāfs Džons Kendrū (John Cowdery Kendrew). 1966. gadā amerikāņu bioķīmiķis Roberts Hollijs (Robert William Holley), amerikāņu indiešu bioķīmiķis Hars Horana (Har Gobind Khorana) un amerikāņu bioķīmiķis Maršals Nirenbergs (Marshall Warren Nirenberg) atšifrēja ģenētisko kodu, raksturojot tripletus jeb kodonus, kas kodē aminoskābes. 1975. gadā angļu bioķīmiķis Frederiks Sangers (Frederick Sanger) ar kolēģiem izveidoja pirmo efektīvo DNS sekvencēšanas metodi. 1977. gadā amerikāņu molekulārais biologs un ģenētiķis Filips Šārps (Phillip Allen Sharp) un angļu molekulārais biologs Ričards Robertss (Richard John Roberts) atklāja RNS splaisingu. 1983. gadā amerikāņu bioķīmiķis Kerijs Mjuliss (Kary Banks Mullis), izmantojot termoizturīgu DNS polimerāzi, izveidoja efektīvu PCR metodi. 2000. gadā Cilvēka Genoma konsorcijs (Human Genome Consortium) un korporācija Celera Corporation vienlaicīgi publicēja pirmās pilnās cilvēka genoma sekvences.

Molekulārā bioloģija, tāpat kā daudzas citas zinātnes jomas, piedzīvo strauju zinātniskās informācijas pieaugumu. Jaunākās tehnoloģijas ļauj ne tikai efektīvi nosekvencēt visu genomu, bet arī analizēt transkriptomu (visu šūnā esošo mRNS kopumu) un novērot tā pārmaiņas, atbildot uz noteiktiem faktoriem. Rīki, ar kuriem pēta proteomu (visu šūnā esošo proteīnu kopumu), ir ierobežotāki, ja salīdzina ar genomu vai transkriptomu, ņemot vērā lielo proteīnu daudzveidību, dažādās modifikācijas un to zemo toleranci pret denaturāciju. Tomēr pateicoties masspektrometrijas un 2D elektroforēzes metožu attīstībai, arī proteomikā ir novērojams progress. Var prognozēt, ka nākotnē molekulārā medicīna iegūs individualizētu pieeju – terapija tiks individuāli pielāgota katra pacienta genomam. Augošais informācijas apjoms padara nepieciešamu plašāku sistēmu bioloģijas (systems biology) pielietojumu, kura, izmantojot matemātiskas un bioinformātikas metodes, modelē plašus mijiedarbību tīklus, kuros iekļaujas desmitiem, simtiem un tūkstošiem bioloģisku faktoru.

Vadošās pētniecības iestādes molekulārajā bioloģijā ir Koldspringhārboras laboratorija (Cold Spring Harbor Laboratory) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) – specializējusies vēža pētniecībā, neirozinātnē, augu ģenētikā, genomikā un kvantitatīvajā bioloģijā; Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts (Massachusetts Institute of Technology) ASV – specializējies dabas un inženierzinātnēs; Salka Bioloģisko Studiju institūts (Salk Institute for Biological Studies) ASV – specializējies neirozinātnē, molekulārajā bioloģijā, ģenētikā un augu bioloģijā; Eiropas Molekulārās bioloģijas laboratorija (European Molecular Biology Lab) Eiropas Savienībā – specializējusies molekulārajā bioloģijā un molekulārajā medicīnā; Sangera institūts (Sanger institute) ASV – specializējies genomikā; Rokfellera universitāte (Rockefeller University) ASV – specializējusies molekulārajā bioloģijā un molekulārajā medicīnā.

Ievērojamākie zinātnieki ir austriešu biologs G. Mendels – ar saviem atklājumiem lika pamatus ģenētikas nozarei, un angļu molekulārie biologi F. Krīks un Dž. Vatsons – atšifrēja DNS dubultspirāles struktūru, liekot pamatus mūsdienu molekulārajai bioloģijai.

Svarīgākie un ietekmīgākie periodiskie izdevumi ir Nature (kopš 1869, Nature Publishing Group), Science (kopš 1880, American Association for the Advancement of Science), Cell (kopš 1974, Cell Press), Journal of Molecular Biology (kopš 1959, Elsevier), PLOS (kopš 2003, Public Library of Science), Structure (kopš 1993, Cell Press), Journal of Biological Chemistry (kopš 1905, American Society for Biochemistry and Molecular Biology) un EMBO Reports (kopš 2000, EMBO Press).