تتمثل الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية في تداخل ميداني علم الأحياء الجزيئي مع الكيمياء الحيوية، حيث تكمل أهداف هذين التخصصين العديد من الجوانب التي تسهم في فهم الحياة.
الكيمياء الحيوية
تشمل الكيمياء الحيوية دراسة العمليات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية، بهدف أساسي هو فهم طبيعة الحياة من منظور جزيئي.
على سبيل المثال، في كل خلية حية، توجد عملية حيوية هامة تُعرف بالتنفس، حيث تتحول من خلالها جزيئات الجلوكوز إلى شكل من أشكال الطاقة المفيدة، وهو ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات).
تكشف الدراسات البيوكيميائية عن التفصيلات المعقدة للعمليات الكيميائية المرتبطة بتحويل الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.
تعتمد الأبحاث في الكيمياء الحيوية على توفر تقنيات تحليلية مناسبة، بالإضافة إلى تطبيق هذه التقنيات لتحقيق تقدم علمي.
يتطلب ذلك فهم طبيعة الجزيئات البيولوجية وتفاعلاتها، خاصة البروتينات والأحماض النووية، إلى جانب وظائف الخلايا.
في السنوات الأخيرة، حققنا تقدمًا كبيرًا في فهمنا لهيكل الجينات وآليات التعبير عنها، وكذلك في استخدام تقنيات مثل قياس الطيف الكتلي لدراسة بنية البروتين ووظيفته.
كان لمشروع الجينوم البشري تأثير ملحوظ أيضًا على تطور معرفتنا بأمراض إنسانية مثل السرطان، مما ساعد في تطوير استراتيجيات جديدة لمكافحتها.
تابع أيضًا:
أقسام الكيمياء الحيوية
يمكن تقسيم الكيمياء الحيوية، التي تعتبر فرعًا لكلا من البيولوجيا والكيمياء، إلى ثلاثة مجالات رئيسية: البيولوجيا الهيكلية، والإنزيمات، والتمثيل الغذائي.
على مدار العقود الأخيرة، نجحت الكيمياء الحيوية في توضيح العمليات الحيوية من خلال هذه الفروع المختلفة.
تسهم الأبحاث في الكيمياء الحيوية في فهم الأنسجة والأعضاء، وتتعلق بشكل كبير بدراسة بنية الكائنات الحية ووظائفها.
تُظهر دراسة الكيمياء الحيوية ارتباطها الوثيق بالبيولوجيا الجزيئية، التي تركز على الآليات الجزيئية خلف الظواهر البيولوجية.
البيولوجيا الجزيئية
تُعرف البيولوجيا الجزيئية كفرع من علم الأحياء الذي يركز على النشاط البيولوجي على مستوى الجزيئات داخل الخلايا وبينها.
تشمل البيولوجيا الجزيئية عمليات مثل التخليق الجزيئي والتعديل، وتصف “العقيدة المركزية” التي تشرح كيفية نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ثم تحويله إلى بروتين.
يمكن أيضًا تعريف البيولوجيا الجزيئية على أنها دراسة تكوين وبنية وتفاعلات الجزيئات الخلوية الضرورية لوظائف وصيانة الخلايا.
ووصف ويليام أستبري البيولوجيا الجزيئية في عام 1961 في مجلة “نيتشر” بأنها:
“ليست مجرد منهجية، بل هي طريقة تحليلية تجمع بين العلوم الأساسية مع التركيز على الفهم الجزيئي للظواهر البيولوجية الكلاسيكية.”
كما تهتم هذه العلم بأشكال الجزيئات البيولوجية، وخاصة تلك التي تتمتع بهياكل ثلاثية الأبعاد.
ومع ذلك، ينبغي ألا تقتصر البيولوجيا الجزيئية على دراسة الشكل فحسب، بل يجب أن تتناول التكوين والوظيفة بشكل متزامن.
تتضمن أيضًا بعض الأبحاث الطبية السريرية المتعلقة بالبيولوجيا الجزيئية جوانب من العلاج الجيني.
يسمى الآن تطبيق البيولوجيا الجزيئية في المجال الطبي بـ”الطب الجزيئي”.
تُعد البيولوجيا الجزيئية ضرورية لفهم البنية والعمليات والأنظمة المختلفة داخل الخلايا، مما يتيح إمكانية استهداف أدوية جديدة بكفاءة وتشخيص الأمراض وفهم فسيولوجيا الخلية.
علاقة البيولوجيا الجزيئية بالعلوم البيولوجية الأخرى
توضح القائمة التالية العلاقات المتعددة التخصصات بين البيولوجيا الجزيئية والمجالات الأخرى ذات الصلة:
علم الأحياء الجزيئي
- تستهدف دراسة الأسس الجزيئية لعمليات النسخ المتماثل والنسخ والترجمة، ووظيفة الخلايا.
الكيمياء الحيوية
- تركز على دراسة المواد الكيميائية والعمليات الحيوية في الكائنات الحية، مع اهتمام خاص بوظيفة وهيكل الجزيئات الحيوية.
- مثل البروتينات والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية.
علم الوراثة
- يبحث في كيفية تأثير الاختلافات الجينية على الكائنات الحية، ويسعى لتنبؤ تأثير الطفرات والجينات الفردية والتفاعلات الجينية على التعبير النمطي.
- تستفيد فروع أخرى من علم الأحياء من البيولوجيا الجزيئية، سواء من خلال دراسة تفاعلات الجزيئات بشكل مباشر أو باستخدام التقنيات الجزيئية لاستنتاج السمات التاريخية للسكان أو الأنواع.
مثلما يُمارَس في مجالات علم الأحياء التطوري مثل علم الوراثة السكانية، هنالك تقليد طويل لدراسة الجزيئات الحيوية “من الألف إلى الياء” في مجال الفيزياء الحيوية أيضًا.
التصميم التجريبي للكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية
تعتمد التقدمات في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية، كما هو الحال في العلوم جميعها، على التصميم المدروس والتنفيذ الدقيق للتجارب.
يتضمن هذا التصميم تحليل البيانات المتعلقة بالتجارب، للمعالجة الدقيقة للأسئلة أو الفرضيات المحددة. ينطوي التصميم التجريبي على مجموعة من الخطوات الأساسية، وهي:
- تحديد الموضوع الذي سيجري الاستقصاء عنه.
- إجراء تقييم نقدي لحالة المعرفة الحالية (“الأدبيات”) في المجال المختار، مع الانتباه لنقاط القوة والضعف في المنهجيات السابقة والافتراضات الجديدة التي نشأت عن الدراسات.
- صياغة السؤال أو الفرضية التي ستتعامل معها التجربة المقترحة.
- الاختيار الدقيق للنظام البيولوجي (الأنواع، في الكائنات الحية أو في المختبر)، الذي سيستخدم في الدراسة.
- تحديد المتغير المراد دراسته، والنظر في المتغيرات الأخرى التي يجب التحكم فيها لتحقيق الاستنتاجات الصحيحة، بحيث يكون المتغير المستهدف هو العامل الوحيد الذي سيؤثر على النتائج التجريبية.
- تصميم التجربة بما في ذلك التحليل الإحصائي للنتائج، ودراسة المواد والأجهزة المستخدمة، والجوانب المتعلقة بالسلامة في البحث.
- إجراء التجربة بما في ذلك ضبط المعايير والضوابط المناسبة، مع الاحتفاظ بسجل مدون بعناية للنتائج.
- تكرار التجربة حسب الضرورة للحصول على بيانات واضحة ومؤكدة.
- تقييم النتائج باستخدام اختبارات إحصائية مناسبة على البيانات الكمية عند الحاجة.
- استنباط الاستنتاجات الرئيسية من النتائج المدروسة.
- صياغة فرضيات جديدة وتجارب مستقبلية تعتمد على الدراسة الحالية.
يتم نشر نتائج الدراسات المصممة بعناية والمحسوبة بدقة في الأدبيات العلمية، بعد إخضاعها لمراجعة الأقران.
يُعتبر من التحديات الرئيسية التي تواجه علماء الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية المحترفين هو مواكبة التطورات الحالية في الأدبيات العلمية.
القضايا التي تعالجها الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية
تتداخل مجالات علم الأحياء الجزيئي والكيمياء الحيوية، مما يتيح لهما فرصة معالجة مجموعة من القضايا المتعددة، مثل:
- تحليل بنية ووظيفة مكونات البروتين الكلي للخلية وكذلك كافة الجزيئات الصغيرة (الأيض).
- استكشاف الآليات المستخدمة في التحكم بتعبير الجينات.
- تحديد الجينات المرتبطة بمجموعة متنوعة من الأمراض البشرية.
- تطوير استراتيجيات العلاج الجيني لعلاج الأمراض البشرية.
- توصيف عدد كبير من المستقبلات “اليتيمة”، التي لا يُعرف حاليًا دورها الفسيولوجي، الموجودة في الجينوم البشري، لاستغلالها في تطوير علاجات جديدة.
- تعريف علامات جديدة للأمراض لتحسين التشخيص السريري.
- هندسة الخلايا، بشكل خاص الخلايا الجذعية، لعلاج الأمراض البشرية.
- فهم كيفية عمل جهاز المناعة لتطوير استراتيجيات للحماية من الغزوات الميكروبية.
- توسيع معرفتنا بالبيولوجيا الجزيئية للنباتات لتحسين المحاصيل، وزيادة مقاومتها للعوامل الضارة وتحمل الإجهاد.
- تطبيق تقنيات البيولوجيا الجزيئية على طبيعة وعلاج الأمراض البكتيرية والفطرية والفيروسية.
- تتناول الفصول المتبقية من هذا الكتاب الاستراتيجيات التجريبية الرئيسية والتقنيات التحليلية المستخدمة بانتظام لمعالجة مثل هذه القضايا.
