Yhdeksän vuotta sitten geneetikko Craig Venterin johtamat amerikkalaiset tiedemiehet ilmoittivat luoneensa ensimmäisen
Muutama vuosi myöhemmin tiedemiehet tunnistivat senbakteerin genomia ei todellakaan muutettu radikaalisti. Tästä huolimatta tutkijoiden työ merkitsi uuden suunnan alkua genetiikassa, joka luo organismeja, joilla on täysin muokattu DNA.
E. coli E. coli
Tutkijat alkaenprojekti GP-write - he ovat jo onnistuneet luomaan keinotekoisia kopioita kahdesta 16 kromosomista, jotka muodostavat yhden leivinhiivakannan genomin. Mutta Mycoplasma mycoides -bakteerin DNA sisältää vain 1,08 miljoonaa emäsparia, ja hiivan kromosomit sisältävät alle miljoonan E. colin, jonka kanssa geneetikot työskentelivät Englannin lääketieteellisen tutkimusneuvoston molekyylibiologian laboratoriossa Cambridgessa.
Tohtori Jason Chinin johtamat tutkijatrikkoi nämä 4 miljoonaa Escherichia colin emästä 37 fragmentiksi ja syntetisoi ne. Tuloksena oleva näyte on samanlainen kuin luonnolliset vastineensa, mutta selviää pienemmän geneettisten työkalujen ansiosta.
Mikä on DNA ja miksi syntetisoida sitä
Ensinnäkin on syytä ymmärtää, mikä DNA on. Se on deoksiribonukleiinihappoa, joka on ihmisten ja kaikkien elävien organismien perinnöllinen aine.
Lähes jokaisessa ihmiskehon solussa on yksi jasama DNA. Suurin osa deoksiribonukleiinihaposta on solunytimessä (sitä kutsutaan ydinvoima-DNA: ksi), mutta se on läsnä pieni määrä mitokondrioissa.
DNA: ssa olevat tiedot tallennetaan koodina, joka koostuuNeljästä kemiallisesta emäksestä: adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C) ja tymiini (T). Ihmisen genomi koostuu noin 3 miljardista emäksestä, ja yli 99% näistä emäksistä on sama kaikille ihmisille. Heidän järjestyksensä ja järjestyksensä määräävät, miten keho rakennetaan ja ylläpidetään - aivan kuten aakkoset on rakennettu tietyssä järjestyksessä, jolloin ne muodostavat sanoja ja lauseita.
DNA-emäkset muodostavat parin keskenään -esimerkiksi A ja T ja C ja G muodostavat yksiköitä, joita kutsutaan emäspareiksi. Jokainen emäs on myös kiinnittynyt sokerimolekyyliin ja fosfaattimolekyyliin. Yhdessä emästä, sokeria ja fosfaattia kutsutaan nukleotidiksi.
Nukleotidit on järjestetty kahdeksi pitkäksi säikeeksi, jotka muodostavat kaksoiskierteen - näin olemme tottuneet ajattelemaan DNA:ta.
DNA-
Kaksoiskierteen rakenne muistuttaa jonkin verran tikkaita: perusparit muodostavat vaiheet, ja sokeri- ja fosfaattimolekyylit muodostavat pystysuuntaisia sivuosia.
Soluun taitettu DNA sisältää ohjeettarpeen sen toiminnan kannalta. Esimerkiksi kun solu tarvitsee enemmän proteiinia kasvamaan, se lukee DNA: n, joka koodaa haluttua proteiinia. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan kodoneiksi ja ne on kirjoitettu kolmella kirjaimella - esimerkiksi TCG ja TCA.
Lähes kaikki elämänmuodot meduusoista ihmisiin,käytä 64 kodonia. Mutta monet heistä tekevät saman työn tai toistavat tehtävänsä. Yhteensä 61 kodonia muodostaa 20 luonnossa esiintyvää aminohappoa, jotka voidaan pujottaa yhteen kuin helmiä nauhaan, jolloin syntyy mitä tahansa luonnossa esiintyvää proteiinia. Kolme muuta kodonia toimii eräänlaisena jarruna – ne kertovat solulle, kun proteiini on valmis ja sen on lopetettava sen valmistus.
Kodoneja käytetään aminohappojen määrittämiseen,niiden tuottamien proteiinien ainesosia. Esimerkiksi TCA määrittelee seriinin, mikä tarkoittaa "ottamaan tämä aminohappo pois soluliemestä ja kiinnittämään se solun tuottamaan proteiiniin". AAG havaitsee lysiinin. TAA tarkoittaa aminohappojen lisäämisen lopettamista kasvavaan proteiiniin. Mutta AGT tarkoittaa myös seriiniä, samoin kuin AGC, TCT, TCC ja TCG. Jos luonto olisi tehokas, se käyttäisi 20 kodonia 20 aminohappoa varten ja yhtä "stop".
Tutkijat yrittivät luoda tällaisen optimoidun organismin.
Mitä genetiikka juuri teki
Ryhmä Cambridgen tutkijoita tutki koko asiaaE. coli -kannan geneettinen koodi ja analysoinut kaikkien kodonien toiminnot. Sitten tutkijat korvasivat seriinikodonin AGC:llä, jokaisen TCA:n (myös seriinin) AGT:llä ja jokaisen TAG:n (stop-kodonin) TAA:lla.
Yhteensä he osallistuivat E. coli 18 214 muokkausta - tuloksena saatu genomi oli suurin DNA-lohko, joka koskaan syntyi keinotekoisen fuusion avulla. Paperilla muokatun genomin tallennus näyttää siltä, että tutkijat päättivät korvata yhden hyvin yleisen sanan romaanin War and Peace digitaalisesta kopiosta.
Vaikeinta työtä oli kuitenkin kerätäuudelleenkirjoitetun genomin kemiallinen kopio ja vaihda se alkuperäisille elävissä organismeissa. Tämä työ vei tutkijoita noin kaksi vuotta: kun jokainen synteettinen fragmentti korvasi alkuperäisen koodin, tutkijat havaitsivat, toimivatko bakteerit vai eivät.
"On monia mahdollisia tapoja koodata uudelleengenomi, mutta monet niistä ovat ongelmallisia: solu kuolee. Esimerkiksi oletetut synonyymit kodonit voivat tuottaa erilaisia määriä proteiinia ja joskus proteiineja, joilla on odottamattomia ominaisuuksia, jotka tappavat solun."
Jason Chin, tutkimuksen johtava kirjoittaja
Tutkijat ovat löytäneet uudelleenkoodausjärjestelmänjoka mahdollisti alkuperäisen koodin korvaamisen keinotekoisella koodilla ja E. colin pitämisen hengissä huolimatta siitä, että käytettiin 59 kodonia 61 kodonin sijasta aminohapon tuottamiseen ja kahta kodonin sijasta 3 kodonin pysäyttämiseksi.
Niinpä tiedemiehet pystyivät vähentämään määrääkodonit 64: stä 61: een. Tämä on uusi ennätys - tähän asti geneettikot pystyivät luomaan Escherichia coli -bakteerin, joka voisi selviytyä vain 63 kodonilla 64: n sijasta.
Mitä se johtaa
Muokatun genomin luomisen päätarkoitus -kyky antaa kodoneille kyky tuottaa yksi satojen aminohappojen luonteesta 20: n lisäksi. Tämä mahdollistaa uusien entsyymien ja muiden proteiinien syntetisoinnin.
"Luonto on antanut meille rajoitetun määrän entsyymejä,jonka ominaisuuksia olemme oppineet käyttämään monimutkaisten tehtävien suorittamisessa juustojen ja hedelmämehujen valmistuksesta aina biopolttoaineiden valmistukseen ja merkkien havaitsemiseen biologisissa testeissä. Voimme tehdä kaiken tämän 20 aminohapon joukolla - kuvittele, mitä mahdollisuuksia voimme käyttää käyttämällä 22 tai useampaa aminohappoa, ”sanoi Imperial College Londonin synteettisen biologian asiantuntija Stat Ellis.
Näiden mahdollisuuksien joukossa on uusienelintarvikkeiden, uusien mahdollisuuksien syntyminen teollisuudelle ja ennen kaikkea viruksille vastustuskykyisten bakteerien luominen. Näin apteekit voivat luoda lääkkeitä, jotka tehokkaammin käsittelevät viruksia ja bakteereja.
Antavatko tutkijoiden löydöt nämä mahdollisuudet? Ei. Mutta se on edistynyt suuresti yritettäessä luoda elävän organismin täysin synteettinen genomi, jonka toiminnot eroavat alkuperäisistä.
"He nostivat synteettisen genomin alaauusi taso, joka ei ainoastaan onnistunut keräämään koskaan luomaansa suurinta synteettistä genomia, vaan myös tekemään siihen suurimmat muutokset ”, Alice totesi The Guardianin haastattelussa.