دید کلی

به دلیل گستردگی زیاد علم زیست شناسی سلولی ، تنها به معرفی شاخه‌های عمده آن می‌پردازیم:

• سلول شناسی شاخه‌ای از زیست شناسی سلولی است که از ساختمان ، عمل و پیدایش سلولها بحث می‌کند.
• فیزیولوژی سلولی ، علم بررسی اعمال زیستی سلولها و اجزا مختلف آنهاست. عمده‌ترین مسائل مورد توجه در این علم ، مطالعه ماهیت غشای سلولی ، تغذیه سلول ،رشد و نمو ، ترشح و سایر فعالیتهای سلولی است.
• ژنتیک سلولی ، با استفاده از روشهای سلول شناسی و ژنتیک ، از توارث و تنوع سلولها ، بحث می‌کند. این علم به مطالعه ماده ژنتیکی سلولها و بویژه کروموزومها از نظر تعداد و شکل در سلولهای گونه‌های مختلف می‌پردازد.
• شیمی سلولی ، با استفاده از ابزارها و فنون شیمیایی ویژه ، با حداقل تغییرات ممکن ، ترکیبات شیمیایی سلولها و جای آنها را بررسی می‌نماید. چنین مطالعاتی هم اکنون در آسیب شناسی (Pathology) نیز مورد استفاده است.
• فیزیک سلولی ، با استفاده از ابزار ، روشها و قوانین فیزیکی به بررسی پدیده‌های زیستی سلول و اجزای سازنده آن می‌پردازد.
• زیست شناسی مولکولی به بررسی مولکول‌های سازنده سلول بویژه ماکرومولکولها از نظر نوع و ساختمان ، ریخت ، تکامل ، گسترش و نقش آنها در پدیده‌های زیستی سلول می‌پردازد. بیوشیمی ماکرومولکولها و ژنتیک مولکولی از مباحث مورد توجه این شاخه است.

تاریخچه

فلاسفه و طبیعی‌دانان قدیم بویژه ارسطو در عهد باستان ، به این نتیجه رسید که جانوران و گیاهان ، با همه پیچیدگی که در سازمانشان وجود دارد، تنها از تعداد کمی از اجزایی که در هر یک از آنها تکرار شده ، ساخته شده‌اند. با اختراع عدسیهای بزرگ در سال (۱۶۶۵) ، «رابرت هوک» برشهای چوب پنبه‌ای ساختمان سلولی را کشف کرد. در همان زمان «آنتون لون هوک» با میکروسکوپ ساده خود موجودات تک سلولی را در آب راکد مشاهده کرد.

«شلایدن» و «شوان» در سال (۱۸۳۹) ، نظریات خود را به صورت نظریه سلولی ارائه دادند که بر اساس آن کلیه موجودات زنده از واحدهای ساختمانی به اسمسلول ساخته شده‌اند. از حدود سال ۱۹۵۰ روشهای مشاهده سلولها با میکروسکوپ الکترونی دقیق‌تر شد و به تدریج فرا ساختار سلولی مشخص گردید و نتایج بدست آمده ، تصورات پژوهشگران را در مورد طرز کار سلول متحول ساخت.

پیشرفتهای کنونی در زیست شناسی سلولی

• در سالهای اخیر با ابداع روز افزون روشها و فنون جدید مطالعه سلولها ، زیست شناسی سلولی پیشرفتهای شایان توجهی داشته است. با بکار بردن ابزارهای نوری و الکترونی دقیق در زمینه‌های مختلف تحقیقات سلولی و نیز با استفاده از مواد رادیواکتیو و ایزوتوپهای مختلف ، مجهولات متعددی از اعمال پیچیده حیاتی سلولها برای بشر روشن شده است. توجه به شکل ، ساختمان و رفتار پرندگان ، ماهیها ، پستانداران و … راهگشای ابداع ماشینهای پیچیده‌ای چون هواپیما ، کامپیوتر و نظایر آن بوده است.
• تغییر در رمز وراثتی و بکار انداختن ژنهای مفید یا از کار انداختن ژنهای زیان بخش ، چشم انداز قابل ملاحظه دیگری است که تاکنون در جانداران مختلف با موفقیت زیادی همراه بوده و اساس علم مهندسی ژنتیک را پی‌ریزی کرده است.
• در زمینه ژنتیک سلولی پیشرفتهای قابل ملاحظه‌ای بدست آمده است. برای مثال بسیاری از بیماریهای کروموزومی انسانی ، هم اکنون نه تنها در دوارن بعد از تولد از طریق کشت سلولهای مغز استخوان قابل تشخیص است، بلکه از ماههای ابتدایی نمو رویانی نیز با کشت سلولهای مایع آمنیونی شناخته می‌شود.
• در زمینه کشت سلولها و بافتها هم اکنون پیشرفتهای شایانی نصیب بشر شده است. تا آنجا که با کشت سلولهای منفرد گیاهی تا حد بدست آوردن گیاه گلدار و در جانوران تا حد تشکیل بافتها ، موفقیت بدست آمده است.
• دست بردن در رمز وراثتی و دست‌کاری ژنهای موجودات زنده ارتباط مستقیمی با فرهنگ حاکم بر جوامع بشری دارد. انجام این نوع تحقیقات به همان نحو که می‌تواند موجب حل بسیاری از مشکلات انسان باشد، ممکن است مورد سو استفاده قرار گیرد و مصائب جبران ناپذیری را بوجود آورد.

نظریه سلولی (Cell theory)

یکی از مفاهیم کلی و اساسی زیست شاسی نظریه سلولی است که بر مبنای آن همه موجودات زنده (جانوران ، گیاهان و تک سلولی‌ها) از سلول و فرآورده‌های فعالیت سلولها ، تشکیل شده‌اند. این نظریه با پژوهشهای متعدد که در ابتدای قرن ۱۹ توسط پژوهشگرانی مانند میربل ، اوکن ، لامارک ، دوتروشه ، تورپن ، انجام شد، شکل گرفت و در نهایت منجر به مطالعات شلایدن وشوان گردید که نظریه سلولی را به صورت مشخص ارائه کردند.

نظریه سلولی تاثیر زیادی بر همه زمینه‌های تحقیقاتی زیستی داشته است، بطوری که بلافاصله پس از طرح آن ، مشخص شده که هر سلول از تقسیم سلولی قبل از خود بوجود می‌آید. پیشرفت و تکامل زیست شناسی سلولی در قرن ۲۰ به دو دلیل عمده است:

• افزایش حد تفکیک وسایل تجزیه که مهمترین آنها میکروسکوپ الکترونی و فنون مبوط به پراکندگی اشعه ایکس می‌باشد.
• نزدیکی سلول شناسی با حوزه‌های دیگر تحقیقات زیستی مخصوصا با ژنتیک ، فیزیولوژی و بیوشیمی که بالاخره منجر به از میان رفتن مرزهای مصنوعی بین این علوم و ایجاد دانشی بر اساس تشکیلات مولکولی سلول گردید.

چشم انداز

تاکنون شناخت هر ابزار یا روش جدیدی در سایر علوم تجربی به نحوی موجب گسترش و پیشرفت علوم سلولی و مولکولی شده است و با اشاراتی که به برخی از پیشرفتهای سالهای اخیر در زمینه این علوم به عمل آمد، به راحتی می‌توان دستیابی به موارد زیر را به عنوان حداقل پیشرفتهای ممکن علوم سلولی و مولکولی در سالهای اینده پیش بینی کرد:

• شناخت کامل سازمان مولکولی سلول و فرایندهای زیستی وابسته به آن.
• فراهم آوردن امکانات انجام پدیده‌های پیچیده زیستی، از جمله سنتز انواع مختلف پروتئینها ، آنزیمها ، اسیدهای هسته‌ای و ماکرومولکول‌های دیگر در شرایط آزمایشگاهی.
• تغییرات انتخابی در کد ژنتیکی و از آن طریق کاستن و حتی از میان بردن نواقص و بیماریهای ژنتیکی در انسان ، جانور و گیاه.
• امکان تعیین و تغییر جنسیت جنین قبل از تولد.
• ایجاد جنسها و گونه‌های جدید جانداران با تغییر در کدهای ژنتیکی.
• افزایش ظرفیت مغزی انسان و جانوران به منظور گسترش انوع حس ، حافظه و سازگاری یا مقابله با محیط زیست.
• بوجود آوردن ایمنی کامل در انواع جانداران در برابر بیماریها در طول حیات.

زیست‌شناسی مولکولی

مطالعهٔ زیست‌شناسی در سطح مولکولی است. این حوزه دارای وجوه مشترکی با زیست‌شناسی، شیمی، و به‌طور خاص، با علم ژنتیک و بیوشیمی است. زیست‌شناسی مولکولی، علم استنباط برهم‌کنش‌های مولکولیِ فعالیت‌های بیولوژی در بین سیستم‌های مختلف درون سلولی است که شامل ارتباطات بین DNA, RNA، پروتئین و بیوسنتز آن‌ها می‌باشد. به‌علاوه، چگونگی تنظیم این برهم‌کنش‌ها نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تاریخچه

در حالی که زیست‌شناسی مولکولی در دهه ۱۹۳۰ پایه‌گذاری شد اصطلاح زیست‌شناسی مولکولی به وسیله Warren Weaver در سال ۱۹۳۸ ابداع گردید. او معتقد بود که زیست‌شناسی به دلیل پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌هایی همچون کریستالوگرافی اشعهٔ X در حال رسیدن به مرحلهٔ مهمی از تغییرات می‌باشد.

تحقیقات بالینی و درمان‌های پزشکی که بر پایهٔ زیست‌شناسی مولکولی هستند تا حدودی به وسیلهٔ ژن درمانی پوشش داده شده‌اند. در حال حاضر، استفاده از زیست‌شناسی مولکولی یا روش‌ها و ابزارهای زیست‌شناسی سلولی مولکولی در پزشکی به عنوان پزشکی مولکولی شناخته می‌شود. همچنین زیست‌شناسی مولکولی نقش مهمی در درک شکل‌گیری، فعالیت و تنظیم قسمت‌های مختلف یک سلول ایفا می‌کند که می‌تواند برای تعیین دقیق اهداف داروهای جدید، تشخیص بیماری‌ها و درک فیزیولوژی سلول مورد استفاده قرار گیرد.

ارتباط با دیگر علوم زیستیِ در سطح مولکولی

اگرچه، محققین در این حوزه از تکنیک‌های ذاتاً مختص به زیست‌شناسی مولکولی بهره می‌برند، امروزه، این تکنیک‌ها را بطور روزافزونی با روش‌ها و طرح‌های علوم ژنتیک و بیوشیمی ترکیب می‌کند. از آنجا که هیچ مرز تعریف‌شده و مشخصی بین این مباحث وجود ندارد، آنچه که در ادامه می‌آید، تنها یک دیدگاه ازمیان الگوهای قابل تصور برای ارتباط بین مباحث فوق است.

• بیوشیمی مطالعهٔ مواد شیمیائی و فرایندهای حیاتی است که در موجودات زنده رخ می‌دهد. تمرکز تحقیقات بیوشیمی‌دان‌ها بر نقش، عملکرد، و ساختار مولکولهای زیستی است.

بسیاری از داده‌های زیست‌شناسی مولکولی کمی می‌باشند و به تازگی کارهای زیادی در رابطه با ارتباط زیست‌شناسی مولکولی با علم کامپیوتر در بیوانفورماتیک و آمار زیستی انجام گرفته‌است. در اوایل دهه ۲۰۰۰ مطالعه ساختار و عملکرد ژن و ژنتیک مولکولی، در میان برجسته‌ترین زیر رشته‌های زیست‌شناسی مولکولی بوده‌است.

بسیاری از گرایش‌های زیست‌شناسی به صورت مستقیم یا غیرمستقیم بر روی مولکول متمرکز هستند. ارتباطات ماکرومولکول‌ها در زیست‌شناسی تکوینی و زیست‌شناسی سلولی مورد مطالعه قرار می‌گیرند و در گرایش‌های زیست‌شناسی تکاملی مانند ژنتیک جمعیت و فیلوژنتیک به منظور استنباط ویژگی‌های تاریخی جمعیت یا گونه از تکنیک‌های مولکولی استفاده می‌شود. ارتباط این علم با داروسازی و شیمی الی به گونه ای گسترده‌است.

ارتباط زیست‌شناسی مولکولی با دیگر علوم زیستی

روش‌های آزمایشگاهی مورد استفاده در زیست‌شناسی مولکولی

• همتاسازی مولکولی

یکی از پایه ای‌ترین تکنیک‌های زیست‌شناسی مولکولی به منظور مطالعه عملکرد پروتئین، کلونینگ مولکولی است. در این روش DNAی کدکنندهٔ پروتئین مورد نظر، از طریق PCR و/یا آنزیم‌های محدودکننده (Restriction enzyme)، در یک پلاسمید (وکتور بیانی) کلون می‌شود.

یک وکتور، واجد ۳ مشخصه است: دارای یک ناحیه آغاز رونویسی(origin of replication) است. دارای یک ناحیه کلونینگ چند گانه (multiple cloning site یا به اختصارmcs) است. همچنین واجد یک مارکر انتخابی (selection marker) است. (مارکر انتخابی معمولاً ژن مقاوم به یک آنتی‌بیوتیک است) ناحیه آغاز رونویسی دارای نواحی پروموتری در بالادست ناحیه آغاز رونویسی و ترجمه است. این پلاسمید قادر است به داخل باکتری یا سلول حیوانی وارد شود. ورود DNA به داخل سلول‌های باکتری می‌تواند از طریق جذب DNAی عریان طی ترانسفورماسیون (transformation)، هم یوغی از طریق تماس سلول به سلول(conjugation) یا انتقال وکتور ویروسی (transduction) انجام گیرد.

به ورود DNA به سلول‌های یوکاریوتی (همچون سلول‌های حیوانی) از طریق روش‌های فیزیکی یا شیمیایی، ترانسفکشن (transfection) گفته می‌شود. پس از اینکه DNAی کدکننده مورد نظر ما در داخل یک سلول قرار گرفت، پروتئین آن می‌تواند بیان شود. سپس می‌توان از طریق کشت سلول‌های باکتریایی یا یوکاریوتی، مقادیر بالای پروتئین را از آن‌ها استخراج کرد.

• استخراج دی‌ان‌ای از سلول
• استخراج آران‌ای از سلول
• استخراج پروتئین از سلول
• انتقال دی‌ان‌ای به داخل سلول (دی‌ان‌ای پلاسمیدی یا اولیگونوکلئوتید)
• ساخت پلاسمید
• الکتروفورز
• واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (تکثیر دی‌ان‌ای – پی.سی. آر)

PCR یک روش کارآمد به منظور کپی کردن DNA است. با این تکنیک، امکان تکثیر یک توالی خاص از DNA امکان‌پذیر می‌شود.

• پی.سی. آر معکوس
• تست لوسیفراز
• روش لکه شرقی