Pirms deviņiem gadiem amerikāņu zinātnieki ģenētiķa Kreiga Ventera vadībā paziņoja, ka ir radījuši pirmo
Tomēr dažus gadus vēlāk zinātnieki to atzinabaktērijas genoms nav radikāli mainījies. Neskatoties uz to, zinātnieku darbs iezīmēja jaunu ģenētikas virzienu, kas nodarbojas ar organismu izveidi ar pilnībā rediģētu DNS.
E. coli E. coli
Zinātnieki noprojekts GP-write – viņiem jau ir izdevies izveidot mākslīgas kopijas 2 no 16 hromosomām, kas veido viena maizes rauga celma genomu. Bet Mycoplasma mycoides DNS satur tikai 1,08 miljonus bāzes pāru, un rauga hromosomas satur mazāk nekā 1 miljonu. E. coli, ar kuru ģenētiķi strādāja Anglijas Medicīnas pētījumu padomes Molekulārās bioloģijas laboratorijā Kembridžā, ir 4 miljoni bāzu.
Pētnieki doktora Džeisona Čina vadībāsadalīja šos 4 miljonus Escherichia coli bāzu 37 fragmentos un sintezēja tos. Iegūtais paraugs ir līdzīgs tā dabiskajiem kolēģiem, taču izdzīvo, pateicoties mazākam ģenētisko rīku komplektam.
Kas ir DNS un kāpēc to sintezēt
Pirmkārt, ir vērts saprast, kas ir DNS. Tā ir dezoksiribonukleīnskābe, kas ir cilvēku un visu dzīvo organismu iedzimtais materiāls.
Gandrīz katrai cilvēka ķermeņa šūnai ir viens unpašu DNS. Lielākā daļa dezoksiribonukleīnskābes atrodas šūnu kodolā (to sauc par kodolu DNS), bet tā ir nelielā daudzumā mitohondrijās.
DNS informācija tiek saglabāta kā kods, kas sastāv noNo četrām ķīmiskajām bāzēm: adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C) un timīns (T). Cilvēka genoms sastāv no apmēram 3 miljardiem bāzu, un vairāk nekā 99% no šīm bāzēm ir vienādi visiem cilvēkiem. To secība un secība nosaka, kā ķermenis tiek veidots un uzturēts - tāpat kā alfabēta burti ir veidoti noteiktā secībā, veidojot vārdus un teikumus.
DNS bāzes savienojas viena ar otru -piemēram, A ar T un C ar G, lai veidotu vienības, ko sauc par bāzes pāriem. Katra bāze ir pievienota arī cukura molekulai un fosfāta molekulai. Bāzi, cukuru un fosfātu kopā sauc par nukleotīdu.
Nukleotīdi ir sakārtoti divu garu pavedienu veidā, kas veido dubultspirāli – tā mēs esam pieraduši domāt par DNS.
DNS
Dubultā spirāles struktūra nedaudz atgādina kāpnes: bāzes pāri veido soļus, un cukura un fosfāta molekulas veido vertikālās sānu daļas.
Šūnā ieskrūvēta DNS satur instrukcijasnepieciešami tās darbībai. Piemēram, ja šūnai nepieciešams vairāk proteīnu, lai augtu, tas nolasa DNS, kas kodē vēlamo proteīnu. Šādus savienojumus sauc par kodoniem, un tos raksta trīs burti - piemēram, TCG un TCA.
Gandrīz visas dzīvības formas, no medūzām līdz cilvēkiem,izmantojiet 64 kodonus. Bet daudzi no viņiem veic vienu un to pašu darbu vai atkārto savas funkcijas. Kopumā 61 kodons veido 20 dabā sastopamas aminoskābes, kuras var savērt kopā kā krelles virknē, lai dabā izveidotu jebkuru proteīnu. Vēl trīs kodoni darbojas kā sava veida bremzes — tie norāda šūnai, kad proteīns ir gatavs un tai jāpārtrauc tā ražošana.
Kodonus izmanto, lai noteiktu aminoskābes,to ražoto olbaltumvielu sastāvdaļas. Piemēram, TCA definē serīnu, kas nozīmē “izņemt šo aminoskābi no šūnu buljona un pievienot to proteīnam, ko šūna ražo”. AAG nosaka lizīnu. TAA nozīmē aminoskābju pievienošanas pārtraukšanu augošajam proteīnam. Bet AGT nozīmē arī serīnu, tāpat kā AGC, TCT, TCC un TCG. Ja daba būtu efektīva, tā izmantotu 20 kodonus 20 aminoskābēm, plus vienu "stop".
Pētnieki mēģināja izveidot šādu optimizētu organismu.
Ko tieši darīja ģenētika
Zinātnieku grupa no Kembridžas pētīja visuE. coli celma ģenētisko kodu un analizēja visu kodonu funkcijas. Pēc tam pētnieki aizstāja serīna kodonu ar AGC, katru TCA (arī serīnu) ar AGT un katru TAG (stopkodonu) ar TAA.
Kopumā tie veicināja E. coli 18 214 rediģēšana - iegūtais genoms bija vislielākais DNS bloks, ko jebkad radīja mākslīgā kodolsintēze. Uz papīra rediģētā genoma ierakstīšana izskatās kā pētnieki nolēma aizstāt vienu ļoti izplatītu vārdu jaunā kara un miera digitālajā kopijā.
Tomēr vissarežģītākais darbs bija savāktpārrakstītā genoma ķīmiskā kopija un apmaiņa pret oriģinālu dzīvos organismos. Šis darbs veica zinātniekus apmēram divus gadus: kad katrs sintētiskais fragments aizstāja sākotnējo kodu, pētnieki novēroja, vai baktērijas darbosies vai mirst.
"Ir daudzi iespējamie pārkodēšanas veidigenomu, bet daudzi no tiem ir problemātiski: šūna mirst. Piemēram, šķietami sinonīmi kodoni var ražot dažādu daudzumu olbaltumvielu un dažreiz proteīnus ar negaidītām īpašībām, kas nogalina šūnu."
Džeisons Čins, pētījuma vadošais autors
Pētnieki ir atklājuši pārkodēšanas shēmukas ļāva aizstāt sākotnējo kodu ar mākslīgu un saglabāt E. coli dzīvu, neskatoties uz to, ka aminoskābju ģenerēšanai tika izmantoti 59 kodoni 61 vietā un divi, nevis 3 kodoni, lai apturētu šo procesu.
Tādējādi zinātnieki varēja samazināt skaitukodoni no 64 līdz 61. Tas ir jauns ieraksts - līdz šim ģenētikas speciālistiem izdevās izveidot baktēriju Escherichia coli, kas varētu izdzīvot tikai ar 63 kodoniem 64 vietā.
Ko tas novedīs
Rediģētā genoma izveides galvenais mērķis -spēja dot kodoniem spēju radīt vienu no simtiem aminoskābju, papildus 20, kas noteikta dabā. Tas ļaus sintezēt jaunus fermentus un citus proteīnus.
"Daba mums ir devusi ierobežotu daudzumu fermentu,kuru īpašības mēs esam iemācījušies izmantot sarežģītu uzdevumu veikšanai, sākot no siera un augļu sulas ražošanas, līdz biodegvielas ražošanai un marķieru atklāšanai bioloģiskajos testos. To visu varam izdarīt ar 20 aminoskābju komplektu - iedomājieties, kādas iespējas mēs varam izmantot, izmantojot 22 vai vairāk aminoskābes, ”sacīja Londonas Imperial koledžas sintētiskās bioloģijas eksperts Stat Ellis.
Šo iespēju vidū ir jaunupārtika, jaunu iespēju rašanās rūpniecībai un, pats galvenais, vīrusiem rezistentu baktēriju radīšana. Tas ļaus farmaceitiem veidot zāles, kas efektīvāk risinās vīrusus un baktērijas.
Vai zinātnieku atklājums deva šīs iespējas? Nē. Bet tas ir guvis lielus panākumus, mēģinot izveidot pilnīgi sintētisku dzīva organisma genomu ar funkcijām, kas atšķiras no sākotnējām.
"Viņi izvirzīja sintētisko genomikujaunais līmenis, ne tikai veiksmīgi vācot lielāko jebkad radīto sintētisko genomu, bet arī tajā izdarot vislielākās izmaiņas, ”Alice secināja intervijā ar The Guardian.