Az élet kódja megfejtette a Tudomány számára
A különféle élőlények összes génjének vizsgálata információt nyújt az élet eredetéről.
Az emberi genom tartalmazza az ember felépítéséhez és működéséhez szükséges összes biokémiai utasítást. Ezeket az utasításokat kémiai csoportok, úgynevezett bázisok kódolják, amelyek négyféle típusúak: adenin (A), guanin (G), citozin (C) és timin (T).
Everard Williams, Jr.
Amikor a történészek a huszadik század végét elemzik, rájönnek, hogy a kor egyik legfőbb tudományos fejlődése az emberi életért felelős genetikai információ meghatározása volt. A Human Genome Project, amelynek célja az összes gén azonosítása és levél-betű alapján az élet üzenetének elemzése, visszahat a biológia minden ágára. A különböző szervezetek, köztük az emberek DNS-ének teljes szekvenálása választ ad az alapvető kérdésekre: Hogyan fejlődtek az élőlények? Vajon egyszer képesek leszünk élő szervezetet alkotni? Hogyan kezeljük a betegségeket?
Az emberi genom projekt már soha nem látott eredményt hozott a biológiában. Az emberi DNS összes alkotóeleme, a bázisok alig férnek el 200 telefonkönyvben, anélkül, hogy megszámolnánk azokat az annotációkat, amelyek leírnák, mire használják ezeket a DNS-szekvenciákat. 2000 tavaszára dekódolni kellett volna az emberi DNS 90 százalékát, és a teljes szekvenciát 2003-ra tervezik. Azonban itt csak alapunk lesz, mert továbbra is meg kell találni azt a számtalan jegyzetet, amelyek jelentését adják. genetikai információk. Az alapvető munka csak akkor fog gyümölcsöt hozni, ha megértjük mindezen gének által kódolt fehérjék szerepét.
Számos fehérje az emberi szervezet nélkülözhetetlen alkotóeleme; mások enzimek, amelyek szabályozzák az élet biokémiai reakcióit. Ezek olyan láncok, amelyek kapcsolata aminosav; mindegyik lánc összecsukódik, és felvesz egy struktúrát, amely meghatározza a funkcióját. A bázisok egymás utáni követése egy gén DNS-ében kódolja az e génből képződött fehérje aminosavainak sorrendjét. A fehérjék termeléséhez közbenső molekulákra van szükség, az rna és az rna-t termelő gének "kifejezik magukat".
Az emberi genom projektnek több célja van: meg akarja fedezni az összes emberben termelődő fehérjét, és meg akarja érteni a génexpresszió szabályozásának mechanizmusait, e gének fajonkénti és ugyanazon fajon belüli variációit, valamint a genom (a genotípus) és a megfigyelhető karakterek (a fenotípus). A DNS-szekvenciákból felhalmozott összes információ táptalaj lesz a következő évszázad felfedezéseinek: minél többet megtudunk erről a DNS-ről, annál több hipotézist tudunk felállítani, és annál jobban megértjük az életet.
2050 körül a genomika valószínűleg különféle lényeges kérdésekre ad választ: megjósolhatjuk-e a fehérjék háromdimenziós szerkezetét aminosav-szekvenciájukból? Képesek leszünk mesterséges életformákat létrehozni? Mi a fejlesztő gének pontos szerepe? Javítja-e a teljes genom ismerete a betegségek megelőzését, diagnosztizálását és kezelését?
Vegyük sorra ezeket a kérdéseket.
Az emberi genom hatmilliárd bázisa mintegy 100 000 fehérjét kódol. Bár egy fehérje aminosav-szekvenciáját egyetlen lépésben fordítják le, egy gén szekvenciájából, még nem tudjuk, hogyan lehet megjósolni a fehérjék alakját, és szerkezetük kísérleti vizsgálata továbbra is nehéz. A fehérjeszerkezetek azonban sokkal jobban "konzerváltak" (az evolúció során szinte állandóak maradtak), mint maguk az aminosavszekvenciák. Mivel a különböző aminosav-szekvenciák hasonló szerkezetű molekulákat alkotnak, reméljük, hogy számos fehérje szerkezetét megtalálja néhány reprezentatív fehérje részletes tanulmányozásával.
A fehérjék szerkezete
A közelmúltban számos fehérjeszerkezeti szakember elindította a "Fehérje Szerkezet Tanulmányi Kezdeményezést" a probléma megoldásának gyorsítása érdekében. Elemzik a fehérjék konformációját, akár tisztított fehérjék kristályosításával és e kristályok diffrakciójának vizsgálatával röntgensugárzás útján, akár nukleáris mágneses rezonanciával. Ezek az elemzések hosszúak és költségesek. A csoport optimalizálni kívánja az új struktúrák tanulmányozását a szorosan kapcsolódó struktúrákon már megszerzett ismeretek alapján, és tervezi a fehérjék csoportosítását olyan családokba, amelyek azonos építészeti jellemzőkkel bírnának. Ezután az egyes családok reprezentatív fehérjéinek elemzését választjuk a legbonyolultabb fizikai módszerekkel.
Amikor az ismert struktúrák katalógusa kibővül, képesek leszünk a különböző fehérjéket közös struktúrák szerint csoportosítani, hogy modellezzük a fehérjék szerkezetét, amelyeket aztán felfedeznek vagy feltalálnak. A biológusok az alapfehérje-hajtogatási minták számát körülbelül 1000-re becsülik; 3000–5000 szerkezet feloldása (a már ismerteken kívül) valószínűleg elegendő bármely új fehérje szerkezetének következtetésére. Mivel évente 1000 fehérjeszerkezet derül ki, olyan sebességgel, amely kétségtelenül felgyorsul, a fehérje konformációk leltározását röviddel az emberi genom szekvenálásának befejezése után be kell fejezni.
Mesterséges élet
Remélhetjük, hogy a fehérjéket az evolúció biológiai mechanizmusainak, sőt az életnek a Földön való megjelenése miatt felépítésük szerint osztályozzuk. Meg fogjuk keresni, hogy létezik-e egy fehérjeosztály, amely minden organizmusban közös, és melyek az élet szempontjából nélkülözhetetlen biokémiai reakciók.
Számos genom már teljesen szekvenálva van (többnyire bakteriális genom), és az élet eredete iránt érdeklődő biológusok elkezdték felsorolni a baktériumok között konzerválódott géneket.
Néhány év múlva valószínűleg lesz egy repertoárunk az élethez elengedhetetlen összes gén (RNS vagy fehérje formájában) termékéről; ezután olyan DNS-bázisszekvenciákból állíthatunk elő organizmusokat, amelyek elképzelhetik a láncot, és amelyek új, szintén kitalált fehérjéket fognak kódolni. Ha ez a mesterséges genom bejut egy sejtbe, amely megfelelően szaporodik, a tapasztalatok bebizonyítják, hogy a biológia megfejtette az élet elemi mechanizmusait. A vállalat nyilvánvalóan biztonsági és etikai kérdéseket vet fel.
Képesek leszünk-e felépíteni egy élő sejt, egy „számítógépes sejt” elektronikus modelljét? Sejt, amely figyelembe veszi a sejt összes alkotóelemét? Az összes biokémiai kölcsönhatás közül? És ki fogja pontosan kiszámolni a rá alkalmazott inger következményeit?
Az elmúlt 50 évben a biológusok egyetlen génre vagy egyetlen fehérjére összpontosították kutatásaikat. Az elkövetkező 50 évben ehelyett a gének működését, kölcsönhatásait és a környezet szerepét fogják vizsgálni kifejeződésükben.
Természetesen a biológusok régóta igyekeznek leírni a különféle sejtalkotók kölcsönhatásait. Hogyan szabályozzák a gén expresszióját a transzkripciós faktorok, a DNS meghatározott szegmenseihez kötődő molekulák? Hogyan váltja ki az inzulin, amely az izomsejtek felszínén található receptorokhoz kötődik, ezekben a sejtekben egy sor olyan reakció, amely megnöveli a glükóz transzporterek számát a sejtmembránban? Amikor a genom szekvenálása befejeződik, ez a fajta kérdés több ezer génre és sejtalkotóra vonatkozik. Amikor az összes gént azonosították, az összes kölcsönhatást és sejtreakciót tisztázták, a gyógyszereket kutató farmakológusok és az új molekulák toxicitását meghatározó toxikológusok kétségtelenül programokat vagy "sejtmodelleket" használnak annak kiderítésére. terápiás tulajdonságokkal rendelkezik, vagy ha mérgező.