Mänskligt DNA: Varför skapade genetiken det första syntetiserade genomet i världen?

För nio år sedan meddelade amerikanska forskare under ledning av genetikern Craig Venter att de hade skapat den första

världens levande organism med fullt syntetiseradgenom - bakterien Mycoplasma mycoides, som är orsaken till lungsjukdomar hos nötkreatur och tamgetter. Venter tillkännagav då den nära förestående början av en ny era där organismer kommer att börja gynna mänskligheten – till exempel kommer de att bidra till att producera effektivare biobränslen och bättre suga upp koldioxid från atmosfären.

Men några år senare erkände forskare detbakteriegenomet förändrades inte riktigt radikalt. Trots detta markerade forskarnas arbete början på en ny riktning i genetiken, som är engagerad i skapandet av organismer med fullt redigerat DNA.

E. coli E. coli

Forskare frånprojekt GP-write - de har redan lyckats skapa konstgjorda kopior av 2 av de 16 kromosomerna som utgör genomet av en stam av bagerijäst. Men DNA från Mycoplasma mycoides innehåller bara 1,08 miljoner baspar, och jästkromosomerna innehåller mindre än 1 miljon E. coli som genetiker arbetade med vid Medical Research Council of Englands Molecular Biology Laboratory i Cambridge innehåller 4 miljoner baser.

Forskare under ledning av Dr Jason Chinbröt dessa 4 miljoner baser av Escherichia coli till 37 fragment och syntetiserade dem. Det resulterande exemplaret liknar sina naturliga motsvarigheter, men överlever tack vare en mindre uppsättning genetiska verktyg.

Vad är DNA och varför att syntetisera det

Först och främst är det värt att förstå vad DNA är. Det är deoxiribonukleinsyra, som är ärftligt material från människor och alla levande organismer.

Nästan varje cell i människokroppen har en ochsamma DNA. Det mesta av deoxiribonukleinsyran ligger i cellkärnan (det kallas kärn-DNA), men det är närvarande i en liten mängd i mitokondrier.

Information i DNA lagras som en kod som bestårAv de fyra kemiska baserna: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T). Det mänskliga genomet består av cirka 3 miljarder baser, och mer än 99% av dessa baser är desamma för alla människor. Deras ordning och sekvens bestämmer hur kroppen byggs och upprätthålls - precis som bokstäverna i alfabetet är byggda i en viss ordning och bildar ord och meningar.

DNA-baser parar sig med varandra -till exempel A med T och C med G för att bilda enheter som kallas baspar. Varje bas är också fäst vid en sockermolekyl och en fosfatmolekyl. Tillsammans kallas basen, sockret och fosfatet en nukleotid.

Nukleotider är ordnade i form av två långa strängar som bildar en dubbelspiral – det är så vi är vana vid att tänka om DNA.

DNA

Strukturen hos dubbelhelixen minner något om en stege: baspar bildar steg och socker- och fosfatmolekyler bildar vertikala sidodelar.

DNA som viks in i en cell innehåller instruktionernödvändigt för dess funktion. Till exempel, när en cell behöver mer protein att växa, läser det DNA som kodar för det önskade proteinet. Sådana föreningar kallas kodoner och är skrivna i tre bokstäver - till exempel TCG och TCA.

Nästan alla livsformer, från maneter till människor,använd 64 kodon. Men många av dem gör samma jobb eller upprepar sina funktioner. Totalt 61 kodon utgör 20 naturligt förekommande aminosyror som kan träs ihop som pärlor på ett snöre för att skapa vilket protein som helst i naturen. Ytterligare tre kodon fungerar som ett slags broms – de talar om för cellen när proteinet är klart och det måste sluta tillverka det.

Kodon används för att bestämma aminosyror,beståndsdelar i de proteiner de producerar. TCA, till exempel, definierar serin, vilket betyder "att extrahera denna aminosyra från cellbuljongen och fästa den till proteinet som cellen gör." AAG detekterar lysin. TAA innebär att stoppa tillsatsen av aminosyror till det växande proteinet. Men AGT betyder också serin, liksom AGC, TCT, TCC och TCG. Om naturen vore effektiv skulle den använda 20 kodon för 20 aminosyror, plus ett för "stopp".

Forskare försökte skapa en sådan optimerad organism.

Vad gjorde precis genetiken

En grupp forskare från Cambridge studerade det helagenetisk kod för E. coli-stammen och analyserade funktionerna hos alla kodoner. Forskarna ersatte sedan serinkodonet med AGC, varje TCA (även serin) med AGT och varje TAG (stoppkodon) med TAA.

Totalt bidrog de till DNA hos E. coli 18 214 redigeringar - det resulterande genomet var det största DNA-blocket som någonsin skapats av artificiell fusion. På papper ser inspelningen av det redigerade genomet ut som forskarna bestämde sig för att ersätta ett mycket vanligt ord i en digital kopia av roman kriget och freden.

Det svåraste arbetet var dock att samla inkemisk kopia av det omskrivna genomet och utbyta det för de ursprungliga levande organismerna. Detta arbete tog vetenskapsmän i ungefär två år: när varje syntetiskt fragment ersatte den ursprungliga koden såg forskarna om bakterierna skulle fungera eller dö.

"Det finns många möjliga sätt att koda omgenomet, men många av dem är problematiska: cellen dör. Till exempel kan förment synonyma kodon producera olika mängder protein, och ibland proteiner med oväntade egenskaper som dödar cellen."

Jason Chin, huvudförfattare till studien

Forskare har upptäckt ett omkodningsschemavilket gjorde det möjligt att ersätta den ursprungliga koden med en artificiell och hålla E. coli vid liv, trots att man använde 59 kodon istället för 61 för att generera aminosyror och två snarare än 3 kodon för att stoppa denna process.

Således kunde forskare minska antaletkodoner från 64 till 61. Detta är en ny rekord - hittills lyckades genetiker skapa bakterien Escherichia coli, som kunde överleva med endast 63 kodon istället för 64.

Vad kommer det att leda till

Huvudsyftet med att skapa ett redigerat genom -förmågan att ge kodoner förmågan att generera en av hundratals aminosyror, förutom 20, nedlagda av naturen. Detta gör det möjligt att syntetisera nya enzymer och andra proteiner.

"Naturen har gett oss en begränsad uppsättning enzymer,vars egenskaper vi har lärt oss att använda för att utföra komplexa uppgifter, allt från produktion av ost och fruktjuice till tillverkning av biobränslen och detektering av markörer i biologiska test. Vi kan göra allt detta med en uppsättning med 20 aminosyror - föreställ dig vilka möjligheter vi kan få från att använda 22 eller fler aminosyror, säger Stat Ellis, en expert på syntetisk biologi vid Imperial College London.

Bland dessa möjligheter är skapandet av nyamat, framväxten av nya möjligheter till industrin, och viktigast av allt, skapandet av bakterier som är resistenta mot virus. Detta kommer att göra det möjligt för apotekare att skapa droger som mer effektivt hanterar virus och bakterier.

Gav forskarnas upptäckt dessa möjligheter? Inga. Men den har gjort stora framsteg i försöket att skapa ett helt syntetiskt genom av en levande organism med funktioner som skiljer sig från de ursprungliga.

"De lyfte upp syntetiska genomikens områdeden nya nivån, samlar inte bara framgångsrikt det största syntetiska genomet som någonsin skapats, men gör också de största förändringarna, "avslutade Alice i en intervju med The Guardian.