Зв’язок між генами та білками
Одне з перших припущень про те, як інформація, укладена в генах, проявляється у специфічних властивостях клітини та цілого організму, було висловлено ще до того, як винайшли слово «ген». У першому десятилітті XX ст. англійський лікар Арчібальд Гаррод зауважив, що успадкування деяких метаболічних ідіосинкразій та інших розладів у людей відбувається відповідно до правил Менделя. Він припустив, що причиною подібних спадкових розладів є нестача або відсутність особливих ферментів, необхідні нормального метаболізму.
Тоді ж Гаррод висловив гіпотезу, що детермінанти спадковості контролюють утворення ферментів. Таким чином, здатність до синтезу особливих ферментів чи навіть їх властивості зв'язувалися з генами. Припущення здавалося дуже привабливим навіть за відсутності експериментальних доказів, оскільки воно пов'язувало наявні тоді генетичні дані, отримані мух і рослин, з біологією людини.
Подальший розвиток ідеї Гаррод могли отримати лише з появою нових експериментальних підходів. Наприкінці 1930-х років такі підходи з'явилися завдяки використанню як експериментальні об'єкти мікроорганізмів. Спочатку у центрі уваги дослідників опинилися нижчі гриби з пологів Aspergillus і Neuro-spora. Ці організми добре зростали за певних умов культивування і досить швидко розмножувалися. До середини 40-х років було накопичено та проаналізовано достатньо генетичних та біохімічних даних для того, щоб дійти висновку, що наявність або відсутність ферменту успадковується та залежить від експресії одного гена. Джордж Бідл та Едвард Татум (George Beadle, Edward Tatum) узагальнили зв'язок між ферментом та геном у вигляді постулату один фермент – один ген. Оскільки ферменти-це білки, абагато білків складаються з більш ніж одного типу поліпептидних ланцюгів, постулат надалі став формулюватися як один поліпептид - один ген. Проведені дослідження показали, деякі гени кодують білки, які є ферментами (зокрема гормони і структурні білки), інші гени контролюють утворення молекул РНК, які необхідні синтезу білків.
Для обох компонентів цього інформаційного ланцюжка часто використовуються такі терміни, як генотип та фенотип, що відносяться відповідно до гена та ознаки, що їм кодується. Загалом генотип іноді трактується як вся генетична інформація окремої клітини або організму. Аналогічно і термін фенотип застосовується ширше для опису видимих властивостей клітини чи організму, чи це особливі білки чи функції чи морфологічні і навіть поведінкові ознаки. Фенотип, як правило, є результатом взаємодії між генетичною інформацією та умовами навколишнього середовища, в якому вона реалізується. Термін геном застосовується до сукупності хромосом (на молекулярному рівні - до ДНК), властивих окремому організму (або будь-якій клітині всередині організму), на відміну від терміну генотип, який відноситься до інформації, яка міститься в цих хромосомах (або ДНК).
До 1950 була виявлена ще більш приваблива і перспективна експериментальна система для дослідження зв'язків між генами і функціями клітини. Проста кишкова бактерія Escherichia coli (E. coli) має примітивні поживні потреби і ділиться кожні 20-60 хв (залежно від умов культивування), даючи в потомстві велику кількість клітин (109 в 1 мл). У неї було виявлено безліч легко виявлених генетично контрольованих фізіологічних ознак. Крім того, використання мутантів, які досить просто виділитита охарактеризувати, дозволило ідентифікувати гени, що кодують специфічні функції клітини. Таким чином було відкрито шлях для більш формального генетичного аналізу та створення генетичної карти єдиної хромосоми E. coli. Ще однією перевагою E. coli виявилося те, що ця бактерія є господарем для кількох вірусів (бактеріофагів), для яких у свою чергу характерна значна генетична різноманітність інфекційних властивостей.
Бактеріофаги, або, для стислості, фаги, виявилися ще зручнішою системою для генетичних досліджень. Два або більше фагів можуть обмінюватися фрагментами своїх гомологічних геномів, породжуючи фагове потомство з новими генетичними властивостями. Фагові геноми навіть здатні до оборотної інтеграції з бактеріальною хромосомою. При вищіпленні з хромосоми фаг може включити до свого генома частину бактеріального геному і, таким чином, стати носієм бактеріальних генів. Аналіз подібного обміну генетичним матеріалом показав, що навіть такі примітивні організми мають упорядкований геном і індивідуальні гени можуть скласти генетичну карту.