بیومولکول های اساسی

مهندسی زیست مولکولی با دستکاری بسیاری از مولکول های زیستی کلیدی سر و کار دارد. اینها شامل پروتئین ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای نوکلئیک و لیپیدها، اما محدود به آنها نیست. این مولکول‌ها اجزای سازنده اصلی زندگی هستند و با کنترل، ایجاد و دستکاری شکل و عملکرد آنها، راه‌ها و مزایای جدیدی در اختیار جامعه قرار می‌گیرد. از آنجایی که هر زیست مولکول متفاوت است، تعدادی تکنیک برای دستکاری هر یک به ترتیب استفاده می شود.

پروتئین ها

مقاله اصلی: مهندسی پروتئین

پروتئین ها پلیمرهایی هستند که از زنجیره های آمینو اسیدی به هم پیوسته با پیوندهای پپتیدی تشکیل شده اند. آنها چهار سطح ساختاری متمایز دارند: اولیه، ثانویه، سوم و چهارم. ساختار اولیه به دنباله ستون فقرات اسید آمینه اشاره دارد. ساختار ثانویه بر روی ترکیبات جزئی تمرکز دارد که در نتیجه پیوند هیدروژنی بین زنجیره اسید آمینه ایجاد می شود. اگر بیشتر پروتئین حاوی پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی باشد، گفته می شود که فیبریلار است و اکثر ساختار ثانویه آن صفحات بتا خواهد بود. با این حال، اگر اکثر جهت گیری حاوی پیوندهای هیدروژنی درون مولکولی باشد، پروتئین کروی نامیده می شود و بیشتر از مارپیچ های آلفا تشکیل شده است. همچنین ترکیباتی وجود دارد که از ترکیبی از مارپیچ های آلفا و صفحات بتا و همچنین مارپیچ های بتا با صفحات آلفا تشکیل شده است.

ساختار سوم پروتئین ها با فرآیند تا شدن آنها و نحوه آرایش کلی مولکول سروکار دارد. در نهایت، ساختار چهارتایی گروهی از پروتئین های درجه سوم است که به هم می رسند و به هم متصل می شوند. با تمام این سطوح، پروتئین ها مکان های بسیار متنوعی دارند که می توان آنها را دستکاری و تنظیم کرد. تکنیک‌هایی برای تأثیرگذاری روی توالی اسید آمینه پروتئین (جهش‌زایی به‌منظور مکان)، چین‌خوردگی و ترکیب پروتئین، یا تا شدن یک پروتئین سوم منفرد در یک ماتریکس پروتئین چهارتایی استفاده می‌شود. پروتئین هایی که کانون اصلی دستکاری هستند، معمولا آنزیم ها هستند. اینها پروتئین هایی هستند که به عنوان کاتالیزور برای واکنش های بیوشیمیایی عمل می کنند. با دستکاری این کاتالیزورها می توان سرعت واکنش، محصولات و اثرات را کنترل کرد. آنزیم ها و پروتئین ها برای زمینه بیولوژیکی و تحقیقات مهم هستند که بخش های مهندسی خاصی وجود دارد که فقط بر پروتئین ها و آنزیم ها تمرکز دارند.

کربوهیدرات ها

کربوهیدرات ها یکی دیگر از مولکول های زیستی مهم هستند. اینها پلیمرهایی به نام پلی ساکارید هستند که از زنجیرهای قندهای ساده که از طریق پیوندهای گلیکوزیدی به هم متصل شده اند، تشکیل شده اند. این مونوساکاریدها از یک حلقه 5 تا 6 کربنی تشکیل شده اند که حاوی کربن، هیدروژن و اکسیژن است - معمولاً به ترتیب در نسبت 1:2:1. مونوساکاریدهای رایج عبارتند از گلوکز، فروکتوز و ریبوز. هنگامی که مونوساکاریدها به یکدیگر متصل می شوند می توانند دی ساکاریدها، الیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها را تشکیل دهند: نامگذاری به تعداد مونوساکاریدهای متصل به هم بستگی دارد. دی ساکاریدهای رایج، دو مونوساکارید به هم پیوسته، ساکارز، مالتوز و لاکتوز هستند. پلی ساکاریدهای مهم، پیوندهای بسیاری از مونوساکاریدها، سلولز، نشاسته و کیتین هستند.

سلولز یک پلی ساکارید است که از پیوندهای بتا 1-4 بین مونومرهای گلوکز تکرار می شود. فراوان ترین منبع قند در طبیعت است و بخش عمده ای از صنعت کاغذسازی را تشکیل می دهد. نشاسته نیز یک پلی ساکارید است که از مونومرهای گلوکز ساخته شده است. با این حال، آنها از طریق یک پیوند آلفا 1-4 به جای بتا متصل می شوند. نشاسته ها، به ویژه آمیلاز، در بسیاری از صنایع از جمله کاغذسازی، آرایشی و بهداشتی و مواد غذایی مهم هستند. کیتین مشتق شده از سلولز است که دارای یک گروه استامید به جای OH در یکی از کربن های آن است. گروه استیمید استیل زدایی می شود و زنجیره پلیمری کیتوزان نامیده می شود. هر دوی این مشتقات سلولزی منبع اصلی تحقیق برای صنایع زیست پزشکی و غذایی هستند. نشان داده شده است که آنها به لخته شدن خون کمک می کنند، خواص ضد میکروبی دارند و کاربردهای غذایی دارند. بسیاری از مهندسی و تحقیقات بر روی درجه استیل زدایی تمرکز می کنند که موثرترین نتیجه را برای کاربردهای خاص ارائه می دهد.

اسیدهای نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک ماکرومولکول هایی هستند که از DNA و RNA تشکیل شده اند که پلیمرهای زیستی متشکل از زنجیره ای از مولکول های زیستی هستند. این دو مولکول کد و الگوی ژنتیکی هستند که زندگی را ممکن می کنند. دستکاری این مولکول ها و ساختارها باعث تغییرات عمده در عملکرد و بیان سایر ماکرومولکول ها می شود. نوکلئوزیدها گلیکوزیل آمین هایی هستند که حاوی یک نوکلئوباز هستند که از طریق یک پیوند بتا گلیکوزیدی به قند ریبوز یا دئوکسی ریبوز متصل می شوند. توالی پایه ها کد ژنتیکی را تعیین می کند. نوکلئوتیدها نوکلئوزیدهایی هستند که توسط کینازهای خاص از طریق پیوند فسفودی استر فسفریله می شوند.[3] نوکلئوتیدها واحدهای ساختاری تکرار شونده اسیدهای نوکلئیک هستند. نوکلئوتیدها از یک پایه نیتروژن دار، یک پنتوز (ریبوز برای RNA یا دئوکسی ریبوز برای DNA) و سه گروه فسفات ساخته شده اند. به جهش زایی جهت دهی به سایت، DNA نوترکیب و ELISA مراجعه کنید.

لیپیدها

لیپیدها بیومولکول هایی هستند که از مشتقات گلیسرول متصل به زنجیره اسیدهای چرب تشکیل شده اند. گلیسرول یک پلیول ساده است

بیوفیزیک

زمینه های بیوفیزیک

بیوفیزیک در بسیاری از زمینه های مختلف زیست شناسی گنجانده شده است. برخی از موضوعات تحقیقاتی در بیوفیزیک یا شامل بیوفیزیک عبارتند از:

بیوفیزیک غشایی: مطالعه ساختار و عملکرد غشای سلولی ، از جمله کانال های یونی ، پروتئین ها و گیرنده های تعبیه شده در آنها. 

بیوفیزیک

بیوفیزیک مولکولی به طور معمول به سؤالات بیولوژیکی مشابه با بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی می پردازد و به دنبال یافتن زیربناهای فیزیکی پدیدههای بیومولکولی است. دانشمندان در این زمینه تحقیقاتی را در رابطه با درک ارتباط بین سیستم های مختلف سلول از جمله برهم کنش های بین DNA ، RNA و بیوسنتز پروتئین و همچنین نحوه کنترل این فعل و انفعالات انجام می دهند.

کاوشگرهای نوری در زیست شناسی

کاوشگرهای نوری ، به ویژه انواع فلورسنت ، محققان را قادر می سازد وقایع سلولی را در زمان واقعی و با وضوح عالی مکانی مشاهده کنند. کاوشگرهای نوری در زیست شناسی به بررسی قابلیت های متنوع این ابزارهای قدرتمند و همه کاره می پردازد و رویکردهای مختلفی را برای طراحی ، توسعه و اجرای آنها به کار می گیرد.