الحمض النووي البشري: لماذا خلق علم الوراثة أول جينوم توليفه في العالم؟

منذ تسع سنوات ، أعلن علماء أمريكيون بقيادة عالم الوراثة كريج فينتر أنهم ابتكروا الأول

العالم كائن حي مع توليفها بالكاملالجينوم هو بكتيريا Mycoplasma mycoides ، وهو العامل المسبب لأمراض الرئة في الماشية والماعز المنزلي. ثم أعلن فنتر عن البداية الوشيكة لعصر جديد ستفيد فيه الكائنات البشرية البشرية - على سبيل المثال ، تساعد في إنتاج وقود حيوي أكثر كفاءة وتمتص ثاني أكسيد الكربون بشكل أفضل من الجو.

ومع ذلك ، بعد بضع سنوات ، أدرك العلماء ذلكلم يتم تغيير الجينوم البكتيري بشكل جذري. على الرغم من ذلك ، فإن عمل العلماء يمثل بداية لاتجاه جديد في علم الوراثة ، والذي يشارك في إنشاء الكائنات الحية مع الحمض النووي تحريرها بالكامل.

E. coli E. coli

علماء منمشروع GP-write - لقد تمكنوا بالفعل من إنشاء نسخ اصطناعية من 2 من 16 كروموسومات تشكل الجينوم لسلالة خميرة الخباز. لكن الحمض النووي لـ Mycoplasma mycoides لا يحتوي إلا على 1.08 مليون زوج قاعدي ، وكروموسومات الخميرة أقل من مليون.كولاي ، والذي به علم الوراثة من مختبر البيولوجيا الجزيئية التابع لمجلس البحوث الطبية بإنجلترا في كامبريدج ، لديه 4 ملايين قاعدة.

الباحثون بقيادة الطبيب جاسون الذقنحطم هذه 4 ملايين قواعد من الإشريكية القولونية إلى 37 شظايا وتوليفها. تشبه العينة الناتجة نظيراتها الطبيعية ، ولكنها تظل قائمة بسبب مجموعة أصغر من الأدوات الوراثية.

ما هو الحمض النووي ولماذا توليفه

بادئ ذي بدء ، من الضروري فهم ماهية الحمض النووي. هذا هو حمض الديوكسي ريبونوكلييك ، وهو المادة الوراثية للإنسان وجميع الكائنات الحية.

تقريبا كل خلية في جسم الإنسان لديها واحدة ونفس الحمض النووي. معظم حمض الديوكسي ريبونوكلييك موجود في نواة الخلية (يُسمى الحمض النووي النووي) ، ولكنه موجود بكمية صغيرة في الميتوكوندريا.

يتم تخزين المعلومات في الحمض النووي كرمز يتكونمن القواعد الكيميائية الأربعة: الأدينين (A) ، الجوانين (G) ، السيتوزين (C) ، والثيمين (T). يتكون الجينوم البشري من حوالي 3 مليارات قاعدة ، وأكثر من 99 ٪ من هذه القواعد هي نفسها لجميع الناس. يحدد ترتيبها وتسلسلها كيفية بناء الجسم وصيانته - تمامًا مثلما يتم بناء الحروف الأبجدية بترتيب معين ، حيث تشكل الكلمات والجمل.

قواعد الحمض النووي تتزاوج مع بعضها البعض -على سبيل المثال ، A مع T و C مع G لتشكيل وحدات تسمى أزواج القاعدة. ترتبط كل قاعدة أيضًا بجزيء السكر وجزيء الفوسفات. معا القاعدة ، والسكر والفوسفات وتسمى النيوكليوتيدات.

توجد النيوكليوتيدات في شكل شقين طويلين يشكّلان اللولب المزدوج - في هذا الشكل ، نحن معتادون على تخيل الحمض النووي.

DNA

يذكرنا هيكل اللولب المزدوج إلى حد ما بالسلم: تشكل الأزواج القاعدية خطوات ، وتشكل جزيئات السكر والفوسفات أجزاء جانبية رأسية.

الحمض النووي مطوية في خلية تحتوي على تعليماتضروري لعملها. على سبيل المثال ، عندما تحتاج الخلية إلى مزيد من البروتين لتنمو ، فإنها تقرأ الحمض النووي الذي يشفر البروتين المطلوب. تسمى هذه المركبات الكودونات وتتم كتابتها بثلاثة أحرف - على سبيل المثال ، TCG و TCA.

تقريبا جميع أشكال الحياة ، من قناديل البحر إلى البشر ،استخدام 64 الرموز. لكن الكثير منهم يقومون بنفس الوظيفة أو يكررون وظائفهم. يشتمل إجمالي 61 كودًا على 20 من الأحماض الأمينية التي تحدث بشكل طبيعي والتي يمكن ربطها معًا ، مثل الخرز على السلسلة ، لإنشاء أي بروتين في الطبيعة. ثلاثة رموز أخرى هي نوع من المانع - يخبرون الخلية عندما يكون البروتين جاهزًا ، ويجب أن يتوقف عن توليده.

تستخدم الكودونات لتحديد الأحماض الأمينية ،جزء من البروتينات التي ينتجونها. يعرف TCA ، على سبيل المثال ، سيرين ، وهو ما يعني "استخراج هذا الحمض الأميني من مرق الخلية وإرفاقه بالبروتين الذي تنتجه الخلية". AAG يعرف ليسين. TAA يعني إيقاف إضافة الأحماض الأمينية إلى البروتين المتنامي. ولكن AGT يعني أيضًا سيرين ، مثل AGC و TCT و TCC و TCG. إذا كانت الطبيعة فعالة ، فستستخدم 20 كودًا لـ 20 من الأحماض الأمينية ، بالإضافة إلى واحد من أجل "التوقف".

حاول الباحثون إنشاء مثل هذا الكائن الحي الأمثل.

ماذا فعلت بالضبط علم الوراثة

درس مجموعة من العلماء من كامبريدج الجامعةالشفرة الوراثية ل E. القولونية سلالة وتحليل وظائف جميع الرموز. بعد ذلك ، استبدل باحثو كودون سيرين الـ TCG بـ AGC ، وكل TCA (سيرين أيضًا) بـ AGT وكل TAG (كودون توقف) بـ TAA.

في المجموع ، ساهموا في الحمض النووي لل E. coli 18 214 edits - كان الجينوم الناتج أكبر كتلة DNA التي تم إنشاؤها بواسطة الانصهار الصناعي. على الورق ، يبدو تسجيل الجينوم المحرر وكأن الباحثين قرروا استبدال كلمة شائعة جدًا في نسخة رقمية من رواية الحرب والسلام.

ومع ذلك ، كان العمل الأكثر صعوبة لجمعنسخة كيميائية من الجينوم المعاد كتابته وتبادلها مع الكائنات الحية الأصلية. استغرق هذا العمل العلماء حوالي عامين: عندما استبدلت كل قطعة تركيبية الكود الأصلي ، لاحظ الباحثون ما إذا كانت البكتيريا ستعمل أم تموت.

"هناك العديد من الطرق الممكنة لتحويل الشفرةالجينوم ، لكن الكثير منهم يمثل مشكلة: الخلية تموت. على سبيل المثال ، يمكن أن تنتج الترميزات المترادفة المفترضة كميات مختلفة من البروتين ، وأحيانًا بروتينات ذات خصائص غير متوقعة تقتل الخلية. "

جيسون شين ، المؤلف الرئيسي

اكتشف الباحثون مخطط إعادة ترميزالذي سمح باستبدال الكود الأصلي برمز اصطناعي والحفاظ على الإشريكية القولونية على قيد الحياة ، على الرغم من استخدام 59 رمزًا بدلاً من 61 لتوليد الأحماض الأمينية واثنين من الكودونات بدلاً من 3 ، لوقف هذه العملية.

وهكذا ، كان العلماء قادرين على تقليل العددالكودونات من 64 إلى 61. هذا رقم قياسي جديد - حتى الآن تمكن علماء الوراثة من تكوين بكتيريا Escherichia coli ، التي يمكن أن تعيش مع 63 رمز فقط بدلاً من 64.

ماذا سوف يؤدي إلى

الغرض الرئيسي من إنشاء جينوم معدّل -القدرة على إعطاء الكودونات القدرة على توليد واحد من مئات الأحماض الأمينية ، بالإضافة إلى 20 ، التي وضعتها الطبيعة. هذا سيجعل من الممكن توليف إنزيمات جديدة وبروتينات أخرى.

"لقد أعطتنا الطبيعة مجموعة محدودة من الإنزيمات ،الذين تعلمنا استخدامهم لأداء مهام معقدة ، بدءاً من إنتاج الجبن وعصير الفاكهة ، إلى تصنيع الوقود الحيوي واكتشاف العلامات في الاختبارات البيولوجية. وقال ستات إليس ، خبير في البيولوجيا التركيبية في جامعة إمبريال كوليدج في لندن: "يمكننا أن نفعل كل هذا بمجموعة من 20 من الأحماض الأمينية - تخيل ما هي الفرص التي يمكن أن نحصل عليها من استخدام 22 من الأحماض الأمينية".

من بين هذه الفرص هو خلق جديدالغذاء ، وظهور فرص جديدة للصناعة ، والأهم من ذلك ، إنشاء البكتيريا المقاومة للفيروسات. سيسمح ذلك للصيادلة بتكوين أدوية تتعامل بشكل أكثر فاعلية مع الفيروسات والبكتيريا.

هل اكتشف العلماء هذه الفرص؟ لا. لكن ذلك جعل من الممكن المضي قدمًا في محاولة لإنشاء جينوم اصطناعي بالكامل لكائن حي بوظائف مختلفة عن الوظائف الأصلية.

"لقد رفعوا مجال الجينوميات الاصطناعيةواختتمت أليس في مقابلة مع صحيفة الجارديان The Guardian أن المستوى الجديد ، ليس فقط بنجاح أكبر مجموعة من الجينوم الاصطناعي التي تم إنشاؤها على الإطلاق ، ولكن أيضًا في إجراء أكبر التغييرات عليها.