分子生物學是研究核酸、蛋白質等所有生物大分子的形態、結構特征及其重要性、規律性和相互關系的科學，是人類從分子水平上真正揭開生物世界的奧秘，由被動地適應自然界轉向主動地改造和重組自然界的基礎學科。當人們意識到同一生物不同世代之間的連續性是由生物體自身所攜帶的遺傳物質所決定的，科學家為揭示這些遺傳密碼所進行的努力就成為人類征服自然的一部分，而以生物大分子為研究對像的分子生物學就迅速成為現代社會中更具活力的科學。
 從1847年Schleiden和Schwann提出"細胞學說"，證明動、植物都是由細胞組成的到今天，雖然不過短短一百多年時間，我們對生物大分子--細胞的化學組成卻有了深刻的認識。孟德爾的遺傳學規律更先使人們對性狀遺傳產生了理性認識，而Morgan的基因學說則進一步將"性狀"與"基因"相耦聯，成為分子遺傳學的奠基石。Watson和Crick所提出的脫氧核糖酸雙螺旋模型，為充分揭示遺傳信息的傳遞規律鋪平了道路。在蛋白質化學方面，繼Sumner在1936年證實酶是蛋白質之后，Sanger利用紙電泳及層析技術于1953年闡明胰島素的一級結構，開創了蛋白質序列分析的先河。而Kendrew和Perutz利用X射線衍射技術解析了肌紅蛋白（myoglobin）及血紅蛋白（hemoglobin）的三維結構，論證了這些蛋白質在輸送分子氧過程中的特殊作用，成為研究生物大分子空間立體構型的先驅。

DNA重組技術（又稱基因工程）
這是20世紀70年代初興起的技術科學，目的是將不同DNA片段（如某個基因或基因的一部分）按照人們的設計定向連接起來，在特定的受體細胞中與載體同時復制并得到表達，產生影響受體細胞的新的遺傳性狀。嚴格地說，DNA重組技術并不完全等于基因工程，因為后者還包括其他可能使生物細胞基因組結構得到改造的體系。DNA重組技術是核酸化學、蛋白質化學、酶工程及微生物學、遺傳學、細胞學長期深入研究的結晶，而限制性內切酶DNA連接酶及其他工具酶的發現與應用則是這一技術得以建立的關鍵。
DNA重組技術有著廣闊的應用前景:DNA重組技術可用于定向改造某些生物基因組結構，使它們所具備的特殊經濟價值或功能得以成百 上千倍的地提高。DNA重組技術還被用來進行基礎研究。如果說，分子生物學研究的核心是遺傳信息的傳遞和控制，那么根據中心法則，我們要研究的就是從DNA到RNA，再到蛋白質的全過程，也即基因的表達與調控。在這里，無論是對啟動子的研究（包括調控元件或稱順式作用元件），還是對轉錄因子的克隆及分析，都離不開重組DNA技術的應用。

基因表達調控研究
因為蛋白質分子參與并控制了細胞的一切代謝活動，而決定蛋白質結構和合成時序的信息都由核酸（主要是脫氧核糖核酸）分子編碼，表現為特定的核苷酸序列，所以基因表達實質上就是遺傳信息的轉錄和翻譯。在個體生長發育過程中生物遺傳信息的表達按一定的時序發生變化（時序調節），并隨著內外環境的變化而不斷加以修正（環境調控）。
原核生物的基因組和染色體結構都比真核生物簡單，轉錄和翻譯在同一時間和空間內發生，基因表達的調控主要發生在轉錄水平。真核生物有細胞核結構，轉錄和翻譯過程在時間和空間上都被分隔開，且在轉錄和翻譯后都有復雜的信息加工過程，其基因表達的調控可以發生在各種不同的水平上。基因表達調控主要表現在信號傳導研究、轉錄因子研究及RNA剪輯3個方面。轉錄因子是一群能與基因5’端上游特定序列專一結合，從而保證目的基因以特定的強度在特定的時間與空間表達的蛋白質分子。
  真核基因在結構上的不連續性是近10年來生物學上的重大發現之一。當基因轉錄成pre-mRNA后，除了在5’端加帽及3’端加多聚A[polyA]之外，還要將隔開各個相鄰編碼區的內含子剪去，使外顯子（編碼區）相連后成為成熟mRNA。研究發現，有許多基因不是將它們的內含子全部剪去，而是在不同的細胞或不同的發育階段有選擇地剪接其中部分內含子，因此生成不同的mRNA及蛋白質分子。

結構分子生物學
生物大分子的結構功能研究（又稱結構分子生物學） 一個生物大分子，無論是核酸、蛋白質或多糖，在發揮生物學功能時，必須具備兩個前提:首先，它擁有特定的空間結構（三維結構）；其次，在它發揮生物學功能的過程中必定存在著結構和構象的變化。結構分子生物學就是研究生物大分子特定的空間結構及結構的運動變化與其生物學功能關系的科學。它包括結構的測定、結構運動變化規律的探索及結構與功能相互關系的建立3個主要研究方向。最常見的研究三維結構及其運動規律的手段是X射線衍射的晶體學（又稱蛋白質晶體學），其次是用二維核磁共振和多維核磁研究液相結構，也有人用電鏡三維重組、電子衍射、中子衍射和各種頻譜學方法研究生物高分子的空間結構。

分子生物學研究法

一、重組DNA技術發展史上的重大事件
1.40年代確定了遺傳信息的攜帶者，即基因的分子載體是DNA而不是蛋白質，解決了遺傳的物質基礎問題；
2.50年代提示了DNA分子的雙螺旋結構模型和半 保留復制機制,解決了基因的自我復制和世代交替問題；
3.50年代末至60年代，相繼提出了"中心法則"和操縱子學說,成功地破譯了遺傳密碼，充分認識了遺傳信息的流動和表達。
重組DNA技術歷史上的主要事件
年份  事 件
1869  F Miescher從萊茵河鮭魚精子中分離DNA。
1944 O.T. Avery證實DNA是遺傳物質。
1952 A.D. Hershey和M.Chase再次證實和噬菌體的遺傳物質是DNA。
1953 J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA分子結構的雙螺旋模型。M.Wilkins用X-射線衍射法證實了這一結構。
1957  A.Kornberg從大腸桿菌中發現了DNA聚合酶I。
1958  M. Meselson和F. W. Stahl提出了DNA的半保留復制模型。
1959-1960  S. Ochoa發現RNA聚合酶和信使RNA，并證明mRNA決定了蛋白質分子中的氨基酸序列。
1961 Nirenberg破譯了相遺傳密碼；F. Jacob和J. Monod提出了調節基因表達的操縱子模型。
1964  C. Yanofsky和S. Brenner等人證明，多肽鏈上的氨基酸序列與該基因中的核苷酸序列存在著共線性關系。
1965  S. W. Holley完成了酵母丙氨酸tRNA的全序列測定；科學家證明細菌的抗藥性通常由"質粒"DNA所決定。
1966  M.W.Nirenberg，S.Ochoa、H.G.Khorana、F.H.C.Crick等人破譯了全部遺傳密碼。
1970 H.O.Smith，K.W.Wilcox和T.J.Kelley分離了種限制性核酸內切酶。H.M.Temin和D.Baltimore從RNA腫瘤病毒中發現反轉錄酶。
1972-1973  H.Boyer，P.Berg等人發展了DNA重組技術，于72年獲得個重組DNA分子，73年完成例細菌基因克隆。
1975-1977  F.Sanger與A.Maxam、W.Gilbert等人發明了DNA序列測定技術。1977年完成了全長5387bp的噬菌體φ174基因組測定。
1978  在大腸桿菌中生產由人工合成基因表達的人腦激素和人胰島素。
1980 美國聯邦更高法院裁定微生物基因工程可以化。
1981 R. D. Palmiter和R. L. Brinster獲得轉基因小鼠；A. C. Spradling和G. M. Rubin得到轉基因果蠅。
1982 美、英批準使用例基因工程藥物--胰島素；Sanger等人完成了入噬菌體48,502bp全序列測定。
1983  獲得例轉基因植物。
1984  斯坦福大學獲得關于重組DNA的。
1986  GMO在環境中釋放。
1988  J. D. Watson出任"人類基因組計劃"首席科學家。
1989 DuPont公司獲得轉腫瘤基因小氧--"Oncomouse"。
1992  歐共體35個實驗室聯合完成酵母第三染色體全序列測定(315kb)
1994 批基因工程西紅柿在美國上市。
1996 完成了酵母基因組(1.25×107bp)全序列測定。
1997 英國愛丁堡羅斯林研究所獲得克隆羊。
基因工程中常見的名詞:
遺傳工程--genetic engineering，基因操作--gone manipulation，基因克隆--gone cloning，
重組DNA技術--recombinant DNA technology，分子克隆--molecular cloning。

基因工程的主要內容或步驟:
1. 從生物有機體基因組中，分離出帶有目的基因的DNA片段。
2. 將帶有目的基因的外源DNA片段連接到能夠自我復制的并具有選擇記號的載體分子上，形成重組DNA分子。
3. 將重組DNA分子轉移到適當的受體細胞（亦稱寄主細胞）并與之一起增殖。
4. 從大量的細胞繁殖群體中，篩選出獲得了重組DNA分子的受體細胞，并篩選出已經得到擴增的目的基因。
5. 將目的基因克隆到表達載體上，導入寄主細胞，使之在新的遺傳背景下實現功能表達，產生出人類所需要的物質。

基因操作的主要技術原理
1．核酸的凝膠電泳(Agarose & Polyacrylamide)
將某種分子放到特定的電場中，它就會以一定的速度向適當的電極移動。某物質在電場作用下的遷移速度叫作電泳的速率，它與電場強度成正比，與該分子所攜帶的凈電荷數成正比，而與分子的磨擦系數成反比（分子大小、極性、介質的粘度系數等）。在生理條件下，核酸分子中的磷酸基團是離子化的，所以，DNA和RNA實際上呈多聚陰離子狀態（Polyanions）。將DNA、RNA放到電場中，它就會由負極→正極移動。 在凝膠電泳中，一般加入溴化乙錠（EB）--ethidium bromide染色，此時，核酸分子在紫外光下發出熒光，肉眼能看到約50ng DNA所形成的條帶。

2．核酸的分子雜交技術
在大多數核酸雜交反應中，經過凝膠電泳 分離的DNA或RNA分子，都是在雜交之前，通過毛細管作用或電導作用按其在凝膠中的位置原封不動地"吸印" 轉移到濾膜上的。常用的濾膜有尼龍濾膜、硝酸纖維素濾膜，疊氮苯氧甲基纖維素濾紙（DBM）和二乙氨基乙基纖維素濾膜（DEAE）等。
核酸分子雜交實驗包括如下兩個步驟：
將核酸樣品轉移到固體支持物濾膜上，這個過程特稱為核酸印跡(nucleic acid blotting)轉移，主要有電泳凝膠核酸印跡法、斑點和狹線印跡法(dot and slot blotting)、菌落和噬菌斑印跡法(colony and plaque blotting)；
將具有核酸印跡的濾膜同帶有放射性標記或其它標記的DNA或RNA探針進行雜交。所以有時也稱這類核酸雜交為印跡雜交。

3．細菌的轉化
所謂細菌轉化，是指一種細菌菌株由于捕獲了來自另一種細菌菌株的DNA，而導致性狀特征發生遺傳改變的生命過程。這種提供轉化DNA的菌株叫做供體菌株，而接受轉化DNA的寄主菌株則稱做受體菌株。大腸桿菌是最廣泛使用的實驗菌株。在加入轉化DNA之前，必須預先用CaCl2處理大腸桿菌細胞，使之呈感受態（Competent Cells）。Mg2+對維持外源DNA的穩定性起重要作用，質粒DNA中的抗生素是篩選標記。
對絕大多數hsdR-，hsdM-突變體菌株（k12），每ug DNA可得107-108個轉化子

三、分子克隆技術

1、高質量mRNA的制備
   應用Promega PolyAT tract mRNA Isolation System分離Poly(A)RNA。將Biotinylated Oligo(dT)引物與細胞總RNA共溫育，加入與微磁球相連的Streptavidin，用磁場吸附與PMP相連的SA-Biotinylated Oligo(dT)-mRNA。
2．反轉錄成cDNA
可同時在反轉錄系統中加入Oligo（dT）12-18-mer及隨機引物R6，以保證得到全長cDNA；
應選用活性較高的反轉錄酶（Reverse transcriptase）；
應選用甲基化dCTP；
應保證所獲得雙鏈cDNA的方向性。

四、DNA的Microarray
只要事先除去高度及中等重復序列，任何DNA都可以被用于Microarray。最簡單的例子是用機械手把極微量（nanoliters）的DNA點到玻片或其它載體上，照射UV light使之固定，用不同細胞周期發育階段的cDNA作探針系統性地研究細胞中任意時期特異表達的基因；若把某一生物體內全部全部已知基因分別點到DNA微列陣或者基因芯片上，再用不同發育階段的cDNA與之雜交，就能了解某些基因對特定生長發育階段的重要性；基因芯片還可用于進行基因診斷，可建立正常人特定組織、器官的基因芯片，給出標準雜交信號圖。用可疑病人的cDNA做探針與之雜交，檢查哪些基因的表達受抑制或激活。