A genetikai kód átírása A laboratóriumban valaha létrehozott legnagyobb mesterséges genom szül
Az organizmus felépítéséhez szükséges üzenet a DNS-t alkotó részek sorrendjében található. Val vel Az emberi genom projekt ezt a kódolt üzenetet a 3 milliárd bázispárban megfejtették. A DNS olvasása azonban csak az első lépés volt. A genom a semmiből is átírható.
A Cambridge-i Egyetem kutatócsoportja, Dr. Jason Chin vezetésével, a laboratóriumban átírta egy E. Coli faj DNS-ét. Ez a valaha épített legnagyobb mesterséges genom, amely 4 millió bázispárból áll, négyszer nagyobb, mint a többi módosított szervezet. A teljes sorozat kinyomtatásához 970 oldalra lenne szükség. A baktérium genetikai kódja 61 kodonon alapul, és nem 64-en, mint az élővilágban történik.
Új testnek hívják Syn61 és hosszabb, mint a természetes baktérium, lassabban növekszik, de ez az első életképes szervezet, amely a lehető legtöbb genomiális változással jár. Sejtjei ugyanazokat a fehérjéket termelik, de más genetikai kódot használnak. A vizsgálati adatokat a Nature-ben tették közzé.
Fotóforrás - Cambridge-i Egyetem
A szintetikus genomú organizmusok kifejlesztésének alkalmazásai megszámlálhatatlanok lennének, a vírusfertőzésekkel szemben rezisztens baktériumok megszerzésétől a mikroorganizmusok létrehozásáig, amelyek lehetővé teszik a szén-dioxid felvételét a légkörből vagy oltások előállítását. A cambridge-i csapat jelenleg azon dolgozik, hogy meghatározza az élet támogatásához szükséges minimális gének számát.
Hogyan működik a genetikai kód?
A DNS-molekula nukleotidokon alapszik. A bennük lévő nitrogén-bázistól függően 4 típusú nukleotid létezik - adenin, timin, guanin és citozin. A genetikai kód az a szabályrendszer, amely megmutatja, hogy ennek a négybetűs molekuláris "ábécének" miként kell előállítania a fehérjék szerkezetébe belépő 20 természetes aminosavat.
Az ábécé betűinek van értelme, amikor szavakat alkotnak, és a szavak mondatokat alkotnak. Hasonlóképpen, az emberi genom 4 betűjét meghatározott szabályok szerint olvassuk fel, hogy értelmet nyerjünk és funkcionális organizmust építsünk fel.
Francis Crick, a DNS szerkezetének egyik felfedezője először a CODON koncepcióját javasolta az aminosav felépítését meghatározó nukleotidszekvencia meghatározására. Három egymást követő nukleotid egy kodont képvisel.
Fotóforrás - Utah-i Egyetem
A genetikai kód univerzális, az élővilág szinte minden élőlénye 64 kodont használ. Ezek közül 61 kodon kódolja a 20 természetes aminosavat. A másik 3 kodonnak az a feladata, hogy megállítsa az üzenet olvasását, jelezve a fehérjeszintézis leállítását. Ezért tárgyalják a redundancia a genetikai kód szintjén. Több kodon van, mint aminosav. Egy aminosavat több kodon határozhat meg. Például a TTA, TTG, CTT, CTC, CTA, CTG olyan kodonok, amelyek meghatározzák a leucin aminosavat.
Az inverz kapcsolat nem érvényes. A kodon egyetlen aminosavat határoz meg. Sőt, egy másik lényeges elem az A genetikai kódban nincsenek átfedések. A kodont alkotó három nukleotid nem lehet része a szomszédos kodonoknak.
Egyes kodonok gyorsabb transzlációs folyamattal társulnak a riboszómákban, míg mások lassabban. Így a kodonok különböző módon kerülnek feldolgozásra és befolyásolhatják a fehérje összeépülését.
Ez az elbocsátás nem véletlen, és bizonyos körülmények között hasznos. Egyes DNS-szekvenciák mind a gént, mind a génszabályozás szempontjából fontos információkat kódolják, így jól meghatározott szerepű specifikus RNS-struktúrák jelennek meg. A szempilla aktivitása így sokkal jobban szabályozott. Néhány üzenetet dekódolnak, ami bizonyos fehérjék megjelenéséhez vezet, könnyebben, mint mások.
A cambridge-i csapat célja a redundáns kodonok kiküszöbölése volt, hogy megfigyelje a szervezet működéséhez szükséges minimális génkészletet.
Hogyan szerezték meg a mesterséges genom Syn61?
A kutatás az Medical Research Councils (MRC) Molekuláris Biológiai Laboratóriumában történt, és az E. Coli baktérium genomjának szekvenálására és módosítására került sor, mivel kisszámú gén segítségével képes túlélni.
A kulcs kodonok többször módosultak több mint 18 000 helyen:
- Minden TCG kodont AGC-re cseréltünk, minden TCA kodont AGT-re cseréltünk
- A TAG stop óvszert TAA-ra cserélték
Miután megállapították a mesterséges genom szekvenciáját, az új genetikai kódot bevitték a sejtekbe. A genomot kisebb részekre osztották fel, és fokozatosan új darabokat vezettek be.
Bizonyos szinonim kodonok különböző fehérjék termelését okozzák, és egyes jellemzők a sejt életképtelenségéhez vezethetnek.
"A genom átkódolása sokféleképpen lehetséges, de ezek gyakran problémásak. A sejtek elpusztulnak. ”- Dr. Chin.
Dr. Chin által javasolt algoritmus alapján az E. coli baktérium csak 59 kodont használva élte túl, amelyek mind a 20 aminosavat és két stop kodont határoznak meg három helyett.
A szintetikus DNS-molekulák laboratóriumi termeléséről korábban beszámoltak élesztőfajokban és a Mycoplasma mycoides baktériumban, de ezen organizmusok genomjában akár 1 millió bázispár is van. Az E. coli genom 4 millió bázispárral rendelkezik.
Az első teljesen szintetikus genommal rendelkező szervezetet, a Mycoplasma mycoides fajt 2010-ben állították elő a Craig Venter Intézetben. A projekt több mint 15 évig tartott, és a baktérium genomja sokkal kisebb volt, mint az E. colié.
2016-ban újabb ambiciózus projekt indult "Genomprojekt - írj", a genomika új szakaszának megnyitása. A genetikai üzenet laboratóriumi átírása korlátlan alkalmazáshoz vezethet az orvostudományban és a biológiában, például olyan sejtek létrehozásához, amelyek nem fertőződhetnek meg vírusokkal, vagy olyan funkciók bevezetésével, amelyek lehetővé teszik a sejtek számára, hogy ellenálljanak a rákos átalakulásnak.
Az emberi genom megértésének igazi kihívása nem az azt alkotó szekvenciák felfedezése volt, hanem az, hogy ezeket az információkat hogyan lehet felhasználni. Az első fontos megfigyelés az volt, hogy valójában az emberi genom csak 1-2% -a kódolja a funkcionális termékeket és alkotja az exomot, ami bizonyította a genetikai anyag bonyolultságát.
Az életet fenntartó gének minimális számának meghatározása egy másik kulcskérdés. Ugyanígy a genetikai "ábécé" bővítése is, amelyet már lehetségesnek találtak. 2018-ban a Scripps Kutatóintézet szakértői soha nem látott eredményekről számoltak be, a funkcionális fehérjék előállításához a 4 bázison kívül még kétféle nukleotidot, az X-et és az Y-t használták fel. Hozták létre az első félszintetikus organizmust, amely sokkal nagyobb mennyiségű genetikai anyag tárolására képes.