Dziewięć lat temu amerykańscy naukowcy pod przewodnictwem genetyka Craiga Ventera ogłosili, że stworzyli pierwszego
Jednak kilka lat później naukowcy rozpoznali togenom bakterii nie był tak naprawdę radykalnie zmieniony. Mimo to praca naukowców stała się początkiem nowego kierunku w genetyce, który zajmuje się tworzeniem organizmów z całkowicie edytowanym DNA.
E. coli E. coli
Naukowcy zprojekt GP-write - udało im się już stworzyć sztuczne kopie 2 z 16 chromosomów tworzących genom jednego szczepu drożdży piekarskich. Jednak DNA Mycoplasma mycoides zawiera tylko 1,08 miliona par zasad, a chromosomy drożdży zawierają mniej niż 1 milion. E. coli, z którą genetycy pracowali w Laboratorium Biologii Molekularnej Anglii w Cambridge, Medical Research Council of England, zawiera 4 miliony zasad.
Naukowcy pod kierownictwem dr Jasona Chinarozbił te 4 miliony zasad Escherichia coli na 37 fragmentów i zsyntetyzował je. Powstały okaz jest podobny do swoich naturalnych odpowiedników, ale przeżywa dzięki mniejszemu zestawowi narzędzi genetycznych.
Czym jest DNA i dlaczego go syntetyzować
Przede wszystkim warto zrozumieć, czym jest DNA. Jest to kwas dezoksyrybonukleinowy, będący materiałem dziedzicznym człowieka i wszystkich organizmów żywych.
Prawie każda komórka ludzkiego ciała ma jedną ito samo DNA. Większość kwasu dezoksyrybonukleinowego znajduje się w jądrze komórkowym (nazywa się to DNA jądrowe), ale jest obecna w niewielkiej ilości w mitochondriach.
Informacje w DNA są przechowywane jako kod składający się zZ czterech zasad chemicznych: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T). Ludzki genom składa się z około 3 miliardów zasad, a ponad 99% tych zasad jest takich samych dla wszystkich ludzi. Ich kolejność i kolejność określa, w jaki sposób ciało jest budowane i utrzymywane - tak jak litery alfabetu są budowane w określonej kolejności, tworząc słowa i zdania.
Zasady DNA łączą się w pary -na przykład A z T i C z G, tworząc jednostki zwane parami zasad. Każda zasada jest również przyłączona do cząsteczki cukru i cząsteczki fosforanu. Razem zasada, cukier i fosforan nazywane są nukleotydami.
Nukleotydy ułożone są w postaci dwóch długich nici, które tworzą podwójną helisę – tak przywykliśmy myśleć o DNA.
DNA
Struktura podwójnej helisy przypomina nieco drabinę: pary zasad tworzą stopnie, a cząsteczki cukru i fosforanu tworzą pionowe części boczne.
DNA złożone do komórki zawiera instrukcjeniezbędne do jego funkcjonowania. Na przykład, gdy komórka potrzebuje więcej białka do wzrostu, odczytuje DNA, które koduje pożądane białko. Takie związki są nazywane kodonami i są napisane trzema literami - na przykład TCG i TCA.
Prawie wszystkie formy życia, od meduz po ludzi,użyj 64 kodonów. Ale wiele z nich wykonuje tę samą pracę lub powtarza swoje funkcje. W sumie 61 kodonów tworzy 20 naturalnie występujących aminokwasów, które można nawlec razem jak koraliki na sznurku, tworząc dowolne białko występujące w przyrodzie. Trzy kolejne kodony działają jak rodzaj hamulca – informują komórkę, kiedy białko jest gotowe i musi przestać je wytwarzać.
Kodony służą do oznaczania aminokwasów,składników wytwarzanych przez nie białek. Na przykład TCA definiuje serynę, co oznacza „pobranie tego aminokwasu z bulionu komórkowego i połączenie go z białkiem wytwarzanym przez komórkę”. AAG wykrywa lizynę. TAA oznacza zatrzymanie dodawania aminokwasów do rosnącego białka. Ale AGT oznacza także serynę, podobnie jak AGC, TCT, TCC i TCG. Gdyby natura była wydajna, użyłaby 20 kodonów dla 20 aminokwasów plus jeden dla „stop”.
Создать такой оптимизированный организм и попытались исследователи.
Co dokładnie zrobiła genetyka
Группа ученых из Кембриджа изучила весь kod genetyczny szczepu E. coli i przeanalizował funkcje wszystkich kodonów. Następnie badacze zastąpili kodon seryny AGC, każdy TCA (również seryna) AGT, a każdy TAG (kodon stop) TAA.
W sumie przyczynili się do DNA E. coli 18 214 edycji - powstały genom był największym blokiem DNA kiedykolwiek stworzonym przez sztuczną fuzję. Na papierze zapis edytowanego genomu wygląda na to, że naukowcy postanowili zastąpić jedno bardzo popularne słowo w cyfrowej kopii powieści Wojna i pokój.
Jednak najtrudniejszą pracą było zbieraniechemiczna kopia przepisanego genomu i zamiana go na oryginalny wewnątrz żywych organizmów. Prace te zajęły naukowcom około dwóch lat: kiedy każdy syntetyczny fragment zastąpił oryginalny kod, naukowcy zaobserwowali, czy bakterie będą funkcjonować lub umrzeć.
«Есть много возможных способов перекодировать геном, но многие из них проблематичны: клетка умирает. Например, предположительно синонимичные кодоны могут производить разное количество белка, а иногда и белки с неожиданными характеристиками, которые убивают клетку».
Джейсон Чин, ведущий автор исследования
Исследователи обнаружили схему перекодирования, которая позволяла заменить оригинальный код на искусственный и сохранить кишечную палочку живой, несмотря использование 59 кодонов вместо 61 для генерирования аминокислот и два, а не 3 кодона, чтобы остановить этот процесс.
W ten sposób naukowcy byli w stanie zmniejszyć liczbękodony od 64 do 61. Jest to nowy rekord - do tej pory genetykom udało się stworzyć bakterię Escherichia coli, która mogłaby przetrwać z zaledwie 63 kodonami zamiast 64.
Do czego to doprowadzi
Głównym celem tworzenia edytowanego genomu -możliwość nadania kodonom zdolności do generowania jednego z setek aminokwasów, oprócz 20, ustanowionych przez naturę. Umożliwi to syntezę nowych enzymów i innych białek.
„Natura dała nam ograniczony zestaw enzymów,których właściwości nauczyliśmy się wykorzystywać do wykonywania złożonych zadań, od produkcji sera i soku owocowego, do produkcji biopaliw i wykrywania markerów w testach biologicznych. Możemy to wszystko zrobić za pomocą zestawu 20 aminokwasów - wyobraź sobie, jakie możliwości możemy uzyskać dzięki zastosowaniu 22 lub więcej aminokwasów ”, powiedział Stat Ellis, ekspert w dziedzinie biologii syntetycznej w Imperial College London.
Wśród tych możliwości jest tworzenie nowychżywność, pojawienie się nowych możliwości dla przemysłu, a co najważniejsze, tworzenie bakterii odpornych na wirusy. Pozwoli to farmaceutom tworzyć leki, które będą skuteczniej radzić sobie z wirusami i bakteriami.
Дало ли открытие ученых эти возможности? Нет. Но оно позволило продвинуться далеко вперед в попытке создать полностью синтетический геном живого организма с отличными от оригинальных функциями.
„Podnieśli oni pole genomiki syntetycznejnowy poziom, nie tylko z powodzeniem zbierający największy syntetyczny genom, jaki kiedykolwiek powstał, ale także dokonujący w nim największych zmian - podsumowała Alice w wywiadzie dla The Guardian.