Před devíti lety američtí vědci pod vedením genetika Craiga Ventera oznámili, že vytvořili první
O několik let později to vědci pochopiligenom bakterie nebyl skutečně radikálně změněn. Navzdory tomu práce vědců znamenala začátek nového směru v genetice, který se zabývá tvorbou organismů s plně upravenou DNA.
E. coli E. coli
Vědci zprojekt GP-write - již se jim podařilo vytvořit umělé kopie 2 ze 16 chromozomů, které tvoří genom jednoho kmene pekařských kvasnic. Ale DNA Mycoplasma mycoides obsahuje pouze 1,08 milionu párů bází a chromozomy kvasinek obsahují méně než 1 milion. E. coli, se kterou genetici pracovali v laboratoři molekulární biologie Medical Research Council of England v Cambridge, obsahuje 4 miliony bází.
Výzkumníci vedení Dr. Jason Chinrozbil tyto 4 miliony bází Escherichia coli na 37 fragmentů a syntetizoval je. Výsledný exemplář je podobný svým přirozeným protějškům, ale přežívá díky menší sadě genetických nástrojů.
Co je to DNA a proč ji syntetizovat
Za prvé, stojí za to pochopit, co je DNA. Jde o kyselinu deoxyribonukleovou, která je dědičným materiálem člověka a všech živých organismů.
Téměř každá buňka v lidském těle má jednu astejnou DNA. Většina deoxyribonukleové kyseliny je v buněčném jádru (to je nazýváno nukleární DNA), ale to je přítomné v malém množství v mitochondria.
Informace v DNA jsou uloženy jako kód sestávající zZe čtyř chemických bází: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) a thymin (T). Lidský genom se skládá z přibližně 3 miliard bází a více než 99% těchto bází je stejných pro všechny lidi. Jejich pořadí a pořadí určuje, jak je tělo postaveno a udržováno - stejně jako písmena abecedy jsou postavena v určitém pořadí, tvoří slova a věty.
DNA báze se navzájem párují -například A s T a C s G k vytvoření jednotek nazývaných páry bází. Každá báze je také připojena k molekule cukru a molekule fosfátu. Dohromady se báze, cukr a fosfát nazývají nukleotid.
Nukleotidy jsou uspořádány ve formě dvou dlouhých vláken, které tvoří dvojitou šroubovici – tak jsme zvyklí uvažovat o DNA.
DNA
Struktura dvojité šroubovice je poněkud připomínající žebřík: páry bází tvoří kroky a molekuly cukru a fosfátu tvoří vertikální boční části.
DNA složená do buňky obsahuje instrukcenezbytné pro jeho fungování. Když například buňka potřebuje k růstu více proteinu, čte DNA, která kóduje požadovaný protein. Tyto sloučeniny se nazývají kodony a jsou napsány třemi písmeny - například TCG a TCA.
Téměř všechny formy života, od medúz po lidi,použít 64 kodonů. Ale mnoho z nich dělá stejnou práci nebo opakuje své funkce. Celkem 61 kodonů tvoří 20 přirozeně se vyskytujících aminokyselin, které lze navléknout jako korálky na provázek a vytvořit tak jakýkoli protein v přírodě. Další tři kodony fungují jako určitá brzda – sdělují buňce, kdy je protein připraven a musí ho přestat vyrábět.
Kodony se používají k určení aminokyselin,složky bílkovin, které produkují. TCA například definuje serin, což znamená „extrahovat tuto aminokyselinu z buněčného vývaru a připojit ji k proteinu, který buňka vytváří“. AAG detekuje lysin. TAA znamená zastavení přidávání aminokyselin do rostoucího proteinu. Ale AGT také znamená serin, stejně jako AGC, TCT, TCC a TCG. Kdyby byla příroda efektivní, použila by 20 kodonů pro 20 aminokyselin plus jeden pro „stop“.
Vědci se pokusili vytvořit takto optimalizovaný organismus.
Co přesně genetika dělala
Skupina vědců z Cambridge to celé studovalagenetický kód kmene E. coli a analyzoval funkce všech kodonů. Vědci poté nahradili serinový kodon AGC, každý TCA (také serin) AGT a každý TAG (stop kodon) TAA.
Celkem přispěli k DNA E. coli 18 214 úprav - výsledný genom byl největší blok DNA, jaký kdy byl vytvořen umělou fúzí. Na papíře vypadá záznam upraveného genomu, že se vědci rozhodli nahradit jedno velmi běžné slovo v digitální kopii románu Válka a mír.
Nejtěžší prací však bylo sbíratchemickou kopii přepsaného genomu a výměnu za původní v živých organismech. Tato práce vzala vědce asi dva roky: když každý syntetický fragment nahradil původní kód, vědci pozorovali, zda by bakterie fungovaly nebo zemřely.
„Existuje mnoho možných způsobů překódovánígenom, ale mnoho z nich je problematických: buňka umírá. Například domněle synonymní kodony mohou produkovat různá množství proteinu a někdy proteiny s neočekávanými vlastnostmi, které buňku zabíjejí."
Jason Chin, hlavní autor studie
Výzkumníci objevili schéma překódovánícož umožnilo nahradit původní kód umělým a udržet E. coli naživu, navzdory použití 59 kodonů místo 61 ke generování aminokyselin a dvou spíše než 3 kodonů k zastavení tohoto procesu.
Vědci tak mohli tento počet snížitkodony od 64 do 61. Jedná se o nový rekord - až doposud se genetikům podařilo vytvořit bakterii Escherichia coli, která mohla přežít s pouze 63 kodony místo 64.
Co to povede
Hlavní účel vytvoření upraveného genomu -schopnost poskytnout kodonům schopnost generovat jednu ze stovek aminokyselin, kromě 20, stanovenou přírodou. To umožní syntetizovat nové enzymy a další proteiny.
"Příroda nám dala omezený soubor enzymů,jehož vlastnosti jsme se naučili používat pro provádění složitých úkolů, od výroby sýrů a ovocných šťáv, až po výrobu biopaliv a detekci markerů v biologických testech. To vše můžeme udělat s množstvím 20 aminokyselin - představte si, jaké příležitosti můžeme získat z 22 nebo více aminokyselin, “řekl Stat Ellis, odborník na syntetickou biologii na Imperial College London.
Mezi tyto příležitosti patří vytvoření novýchpotravin, vznik nových příležitostí pro průmysl a především vytváření bakterií rezistentních vůči virům. To umožní lékárníkům vytvořit léky, které budou účinněji řešit viry a bakterie.
Dal objev vědců tyto příležitosti? Žádný. Ale udělala velký pokrok ve snaze vytvořit zcela syntetický genom živého organismu s funkcemi odlišnými od těch původních.
„Vyvinuli pole syntetické genomikyNová úroveň, nejen úspěšný sběr největšího syntetického genomu, který byl kdy vytvořen, ale také jeho největší změny, “uzavřela Alice v rozhovoru pro The Guardian.