Lidská DNA: Proč genetika vytvořila první syntetizovaný genom na světě?

Před devíti lety američtí vědci pod vedením genetika Craiga Ventera oznámili, že vytvořili první

svět živý organismus s plně syntetizovanýmgenom je bakterie Mycoplasma mycoides, která je původcem plicních onemocnění u skotu a domácích koz. Venter pak oznámil hrozící začátek nové éry, ve které by organismy prospívaly lidstvu - například pomáhaly vyrábět účinnější biopaliva a lépe nasávat oxid uhličitý z atmosféry.

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 pekařského kmene kvasinek. DNA Mycoplasma mycoides však obsahuje pouze 1,08 milionu párů bází a kvasinkové chromosomy jsou nižší než 1 milion E. coli, se kterou genetika z Laboratoře molekulární biologie Lékařské výzkumné rady Anglie v Cambridge pracovala, obsahuje 4 miliony bází.

Výzkumní pracovníci vedeni doktorem jasonem bradourozbil tyto 4 miliony bází Escherichia coli na 37 fragmentů a syntetizoval je. Výsledný vzorek je podobný jeho přirozeným protějškům, ale přežije kvůli menší sadě genetických nástrojů.

Co je to DNA a proč ji syntetizovat

Nejdříve je nutné pochopit, co je DNA. To je deoxyribonukleová kyselina, 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 spojují -například A s T a C s G tvoří jednotky nazývané páry bází. Každá báze je také připojena k molekule cukru a molekule fosfátu. Společně se báze, cukr a fosfát nazývají nukleotidy.

Nukleotidy jsou umístěny ve formě dvou dlouhých řetězců, které tvoří dvojitou šroubovici - v této formě jsme zvyklí si představit 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 medúzy až po člověka,používat 64 kodonů. Mnozí z nich však vykonávají stejnou práci nebo opakují své funkce. Celkem 61 kodonů tvoří 20 přirozeně se vyskytujících aminokyselin, které mohou být spojeny, podobně jako kuličky na řetězci, aby se vytvořil jakýkoliv protein v přírodě. Tři další kodony jsou druhem inhibitoru - řeknou buňce, když je protein připraven, a musí ho zastavit.

Kodony se používají k identifikaci aminokyselin,součástí bílkovin, které produkují. TCA například definuje serin, což znamená "extrahovat tuto aminokyselinu z buněčné půdy a připojit ji k proteinu, který buňka produkuje." AAG definuje lysin. TAA znamená zastavení přidávání aminokyselin na rostoucí protein. AGT ale také znamená serin, jako AGC, TCT, TCC a TCG. Pokud by byla příroda účinná, použilo by 20 kodonů pro 20 aminokyselin plus jeden pro „zastavení“.

Výzkumníci se snažili vytvořit takový optimalizovaný organismus.

Co přesně genetika dělala

Skupina vědců z Cambridge studovala celý oborgenetický kód kmene E. coli a analyzoval funkce všech kodonů. Poté výzkumníci serinového kodonu nahradili TCG AGC, každá TCA (také serin) AGT a každý TAG (stop kodon) s 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, jak kódovatgenomu, ale mnohé z nich jsou problematické: buňka umírá. Například, pravděpodobně synonymní kodony mohou produkovat různá množství bílkoviny, a někdy bílkoviny s neočekávanými vlastnostmi, které zabijí buňku.

Jason Chin, hlavní autor

Výzkumníci objevili schéma překódováníkterý dovolil nahrazení originálního kódu umělým a udržovat E. coli naživu, přes použití 59 kodonů místo 61 pro generování aminokyselin a dva, spíše než 3 kodony, 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.

Byly tyto objevy objeveny vědci? Ne To však umožnilo jít daleko dopředu ve snaze vytvořit plně syntetický genom živého organismu s odlišnými funkcemi než ty původní.

„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.