Žmogaus DNR: Kodėl genetika sukūrė pirmąjį pasaulyje susintetintą genomo organizmą?

Prieš devynerius metus amerikiečių mokslininkai, vadovaujami genetiko Craigo Venterio, paskelbė, kad sukūrė pirmąjį

pasaulio gyvas organizmas su visiškai susintetintasgenomas – bakterija Mycoplasma mycoides, kuri yra galvijų ir naminių ožkų plaučių ligų sukėlėjas. Tada Venteris paskelbė apie neišvengiamą naujos eros pradžią, kai organizmai pradės duoti naudos žmonijai – pavyzdžiui, jie padės gaminti efektyvesnį biokurą ir geriau išsiurbti iš atmosferos anglies dvideginį.

Tačiau po kelių metų mokslininkai tai pripažinobakterijos genomas nebuvo iš esmės pakeistas. Nepaisant to, mokslininkų darbas parodė naujos genetikos krypties pradžią, kuris yra susijęs su organizmų, turinčių visiškai redaguotą DNR, kūrimu.

E. coli E. coli

Mokslininkai išprojektas GP-write – jiems jau pavyko sukurti dirbtines 2 iš 16 chromosomų, kurios sudaro vienos kepimo mielių atmainos genomą, kopijas. Tačiau Mycoplasma mycoides DNR yra tik 1,08 milijono bazinių porų, o mielių chromosomose yra mažiau nei 1 milijonas. E. coli, su kuriuo genetikai dirbo Anglijos medicinos tyrimų tarybos Molekulinės biologijos laboratorijoje Kembridže, yra 4 milijonai bazių.

Mokslininkai, vadovaujami daktaro Jasono Chinosuskaidė šiuos 4 milijonus Escherichia coli bazių į 37 fragmentus ir juos susintetino. Gautas egzempliorius yra panašus į savo natūralius atitikmenis, tačiau išgyvena dėl mažesnio genetinių įrankių rinkinio.

Kas yra DNR ir kodėl ją sintezuoti

Visų pirma, verta suprasti, kas yra DNR. Tai dezoksiribonukleino rūgštis, kuri yra žmonių ir visų gyvų organizmų paveldima medžiaga.

Beveik kiekviena žmogaus kūno ląstelė turi vieną irtos pačios DNR. Dauguma dezoksiribonukleino rūgšties yra ląstelių branduolyje (tai vadinama branduoline DNR), tačiau jos kiekis nedidelis kiekis mitochondrijų.

Informacija DNR saugoma kaip kodas, sudarytas išIš keturių cheminių bazių: adenino (A), guanino (G), citozino (C) ir timino (T). Žmogaus genomas susideda iš maždaug 3 mlrd. Bazių, ir daugiau kaip 99% šių bazių yra vienodi visiems žmonėms. Jų tvarka ir seka nustato, kaip kūnas yra pastatytas ir prižiūrimas - lygiai taip pat, kaip ir raidžių raidės yra pastatytos tam tikra tvarka, sudarant žodžius ir sakinius.

DNR bazės poruojasi viena su kita -pavyzdžiui, A su T ir C su G, kad sudarytų vienetus, vadinamus bazinėmis poromis. Kiekviena bazė taip pat yra prijungta prie cukraus molekulės ir fosfato molekulės. Bazė, cukrus ir fosfatas kartu vadinami nukleotidais.

Nukleotidai yra išsidėstę dviejų ilgų gijų pavidalu, kurios sudaro dvigubą spiralę – taip esame įpratę galvoti apie DNR.

DNR

Dvigubo spiralės struktūra šiek tiek primena kopėčias: bazinės poros sudaro žingsnius, o cukraus ir fosfato molekulės sudaro vertikalias šonines dalis.

Į ląstelę sulankstyta DNR turi instrukcijasbūtina jos veikimui. Pavyzdžiui, kai ląstelei reikia daugiau baltymų augimui, jis nuskaito DNR, kuris koduoja norimą baltymą. Tokie junginiai vadinami kodonais ir yra parašyti trimis raidėmis - pavyzdžiui, TCG ir TCA.

Beveik visos gyvybės formos, nuo medūzų iki žmonių,naudoti 64 kodonus. Tačiau daugelis jų atlieka tą patį darbą arba kartoja savo funkcijas. Iš viso 61 kodonas sudaro 20 natūralių aminorūgščių, kurias galima suverti kaip karoliukus ant stygos, kad būtų sukurtas bet koks gamtoje esantis baltymas. Dar trys kodonai veikia kaip tam tikras stabdys – jie praneša ląstelei, kada baltymas yra paruoštas ir ji turi nustoti jį gaminti.

Kodonai naudojami amino rūgštims nustatyti,jų gaminamų baltymų sudedamosios dalys. Pavyzdžiui, TCA apibrėžia seriną, o tai reiškia „išimti šią aminorūgštį iš ląstelių sultinio ir prijungti ją prie baltymo, kurį gamina ląstelė“. AAG aptinka liziną. TAA reiškia aminorūgščių pridėjimo prie augančio baltymo sustabdymą. Tačiau AGT taip pat reiškia seriną, kaip ir AGC, TCT, TCC ir TCG. Jei gamta būtų efektyvi, ji naudotų 20 kodonų 20 aminorūgščių, plius vieną „stop“.

Tyrėjai bandė sukurti tokį optimizuotą organizmą.

Ką tiksliai padarė genetika

Kembridžo mokslininkų grupė ištyrė visąE. coli padermės genetinį kodą ir išanalizavo visų kodonų funkcijas. Tada mokslininkai serino kodoną pakeitė AGC, kiekvieną TCA (taip pat seriną) – AGT, o kiekvieną TAG (stop kodoną) – TAA.

Iš viso jie prisidėjo prie E. DNR. coli 18 214 redagavimas - gautas genomas buvo didžiausias kada nors dirbtinės sintezės metu sukurtas DNR blokas. Popieriuje, redaguoto genomo įrašymas atrodo kaip mokslininkai nusprendė pakeisti vieną labai dažnai vartojamą žodį skaitmeninėje naujojo karo ir taikos kopijoje.

Tačiau sunkiausias darbas buvo surinktiperrašyto genomo cheminė kopija ir keičiamasi originalu gyvuose organizmuose. Šis darbas apėmė mokslininkus apie dvejus metus: kai kiekvienas sintetinis fragmentas pakeitė pradinį kodą, tyrėjai stebėjo, ar bakterijos veiktų ar mirs.

„Yra daug galimų perkodavimo būdųgenomo, tačiau daugelis jų yra problemiški: ląstelė miršta. Pavyzdžiui, tariamai sinoniminiai kodonai gali gaminti skirtingą baltymų kiekį, o kartais ir netikėtų savybių baltymus, kurie žudo ląstelę.

Jasonas Chinas, pagrindinis tyrimo autorius

Tyrėjai atrado perkodavimo schemąkuri leido pakeisti pradinį kodą dirbtiniu ir išlaikyti E. coli gyvą, nepaisant to, kad panaudoti 59 kodonai vietoj 61 aminorūgštims generuoti ir du, o ne 3 kodonai šiam procesui sustabdyti.

Taigi mokslininkai galėjo sumažinti skaičiųkodonai nuo 64 iki 61. Tai yra naujas įrašas - iki šiol genetikai sugebėjo sukurti bakteriją Escherichia coli, kuri galėtų išgyventi tik 63 kodonais, o ne 64.

Ką tai lems

Pagrindinis redaguoto genomo kūrimo tikslas -gebėjimas duoti kodonus gebėjimą generuoti vieną iš šimtų aminorūgščių, be 20, nustatytų gamtoje. Tai leis sintezuoti naujus fermentus ir kitus baltymus.

„Gamta mums suteikė ribotą kiekį fermentų,kurių savybės išmokėme atlikti sudėtingas užduotis, pradedant nuo sūrio ir vaisių sulčių gamybos iki biokuro gamybos ir biologinių bandymų žymeklių nustatymo. Visa tai galime padaryti su 20 aminorūgščių rinkiniu - įsivaizduokite, kokias galimybes galime panaudoti naudojant 22 ar daugiau amino rūgščių “, - sakė„ Imperial College London “sintetinės biologijos ekspertas Stat Ellis.

Tarp šių galimybių yra naujųmaisto, naujų galimybių atsiradimas pramonei ir, svarbiausia, virusų atsparių bakterijų kūrimas. Tai leis vaistininkams kurti vaistus, kurie veiksmingiau kovoja su virusais ir bakterijomis.

Ar mokslininkų atradimas suteikė tokių galimybių? Nr. Tačiau ji padarė didelę pažangą bandydama sukurti visiškai sintetinį gyvo organizmo genomą, kurio funkcijos skiriasi nuo pradinių.

„Jie iškėlė sintetinės genomikos laukąnaujasis lygmuo, ne tik sėkmingai surenkant didžiausią kada nors sukurtą sintetinį genomą, bet ir padarius didžiausius pokyčius “, - interviu su„ The Guardian “Alice padarė išvadą.