Informacije

32.2: Genomi čitanja i pisanja - Biologija

32.2: Genomi čitanja i pisanja - Biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kao motivaciju, razmotrite sljedeće pitanje: Postoji li tehnologija koja nije biološki motivirana ili inspirirana? Biologija i naša zapažanja o njoj sveprisutno utječu na naše živote. Čak iu telekomunikacijama, potencijal molekularnog računarstva na kvantnom nivou obećava i očekuje se da će on biti glavni igrač u budućnosti.

Church je bio uključen u molekularno računarstvo u vlastitom istraživanju i tvrdi da, kada se jednom iskoristi, ono ima velike prednosti u odnosu na njihove trenutne silikonske kolege. Na primjer, molekularno računarstvo može pružiti najmanje 10% veću efikasnost po džulu u računanju. Možda je dublji njegov potencijalni učinak na pohranu podataka. Trenutni mediji za skladištenje podataka (magnetski disk, SSD uređaji, itd.) su mnogo manje (milijarde puta) gustoće od DNK. Ograničenje DNK kao skladištenja podataka je to što ima visoku stopu grešaka. Church je trenutno uključen u projekt koji istražuje pouzdano skladištenje korištenjem ispravljanja grešaka i drugih tehnika.

U preglednom članku Nature Biotechnology iz 2009. [1], Church istražuje potencijal efikasnih metoda za čitanje i upisivanje u DNK. On primjećuje da je u protekloj deceniji postojala eksponencijalna krivulja od 10(puta) kako u sekvenciranju tako iu oligo sintezi, pri čemu je dvolančana sinteza zaostajala, ali se stalno povećavala. U poređenju sa eksponencijalnom krivuljom od 1,5(puta) za VLSI (Mooreov zakon), povećanje na biološkoj strani je dramatičnije i još uvijek ne postoji teoretski argument zašto bi se trend trebao smanjiti. Ukratko, postoji veliki potencijal za sintezu i inženjering genoma.

Da li ste znali?

George Church je bio rani pionir sekvenciranja genoma. 1978. Church je uspio sekvencirati plazmide po cijeni od 10 dolara po bazi. Do 1984. godine, zajedno sa Walterom Gilbertom, razvio je prvu metodu direktnog genomskog sekvenciranja [3]. Sa ovim otkrićem, pomogao je u pokretanju Projekta ljudskog genoma 1984. Ovaj prijedlog je imao za cilj sekvenciranje cijelog ljudskog haploidnog genoma po cijeni od 1 dolara po bazi, što zahtijeva ukupan budžet od 3 milijarde dolara. Ovo se brzo odigralo u dobro poznatoj trci između Celera i UCSC-Broad-Sanger. Iako su potonji na kraju jedva pobijedili, njihov niz je imao mnogo grešaka i propusta, dok je Celera verzija bila mnogo kvalitetnija. Celera je prvobitno planirala da objavi genom u fragmentima od 50 kb, na kojima bi istraživači mogli da izvrše poravnavanje, slično kao BLAST. Church se jednom obratio osnivaču Celere, Craigu Venteru, i dobio obećanje da će dobiti cijeli genom na DVD-u nakon objavljivanja. Međutim, dovodeći u pitanje obećanje, Church je umjesto toga odlučio preuzeti genom direktno sa Celere koristeći prednosti izdanja kratkih fragmenata. Koristeći automatizovane skripte za pretraživanje i preuzimanje, Church je uspio preuzeti cijeli genom u fragmentima od 50 kb u roku od tri dana!


Daunov sindrom 'super genom'

Downov sindrom -- također poznat kao trizomija 21 -- je genetski poremećaj uzrokovan dodatnim trećim hromozomom 21. Iako se ova genetska abnormalnost nalazi kod jednog od 700 porođaja, samo 20% fetusa sa trizomijom 21 doživi pun termin. Ali kako uspevaju da prežive prvi trimestar trudnoće uprkos ovom teškom hendikepu? Istraživači sa univerziteta u Ženevi (UNIGE) i Lozani (UNIL) otkrili su da djeca rođena s Downovim sindromom imaju odličan genom na mnogo načina – zapravo bolji od prosječnog genoma ljudi bez genetske abnormalnosti. Moguće je da ovaj genom nadoknađuje invaliditet uzrokovan dodatnim hromozomom, pomažući fetusu da preživi, ​​a djetetu da raste i razvija se. Više o ovim otkrićima možete saznati u časopisu Genome Research.

Trisomija 21 je ozbiljan genetski poremećaj, pri čemu četiri od pet trudnoća ne završavaju prirodnim putem ako je fetus pogođen. Međutim, 20% konceptusa sa Downovim sindromom se rađa živo, odrasta i može doći do 65. godine života. Kako je to moguće? Istraživači sa UNIGE-a i UNIL-a pretpostavili su da osobe rođene s Downovim sindromom posjeduju visokokvalitetan genom koji ima sposobnost da kompenzira efekte trećeg hromozoma 21.

Varijacije, regulacija i ekspresija su testirani

"Genom se sastoji od cjelokupnog genetskog materijala koji čini pojedinca", objašnjava Stylianos Antonarakis, počasni profesor na UNIGE-ovom medicinskom fakultetu koji je vodio istraživanje. "Genom je taj koji određuje šta će biti s osobom i čini je da odraste i stari, sa ili bez bolesti. Neki genomi su kvalitetniji od drugih, a mogu biti i manje skloni bolestima kao što je rak." Zasnovajući svoj rad na hipotezi o kvaliteti genoma, genetičari su testirali varijaciju gena, regulaciju i ekspresiju 380 osoba sa Downovim sindromom i upoređivali ih sa ljudima bez genetskog poremećaja.

Prvi test se sastojao od posmatranja prisustva retkih varijanti, odnosno potencijalno štetnih genetskih mutacija, kod osoba sa Daunom. Poznato je da hromozom može imati različite rijetke varijante u svoje dvije kopije. Međutim, kod osobe s Down-om rijetke mutacije koje su identične za sve tri kopije hromozoma 21 i ograničenog broja, čime se smanjuje ukupan broj potencijalno štetnih varijanti.

U sljedećem koraku genetičari su proučavali regulaciju gena na hromozomu 21. Svaki gen ima prekidače koji reguliraju njegovu ekspresiju bilo pozitivno ili negativno. Pošto ljudi sa Daunom imaju tri hromozoma 21, većina ovih gena je prekomerno izražena. „Ali otkrili smo da ljudi sa Daunovim sindromom imaju više regulatora koji smanjuju ekspresiju 21 gena, što omogućava kompenzaciju viška izazvanog trećom kopijom“, kaže Konstantin Popadin, istraživač u UNIL-ovom Centru za integrativnu genomiku.

Konačno, istraživači su se fokusirali na varijaciju ekspresije gena za hromozome cijelog genoma. Svaka ekspresija gena na skali od 0 do 100 čini dio krive globalnog širenja, pri čemu se medijana - 50 - smatra idealnom ekspresijom. "Za normalan genom, ekspresije osciliraju između 30 i 70, dok je za osobu sa Downovim sindromom kriva uža oko vrha koji je vrlo blizu 50 za gene na svim hromozomima", nastavlja profesor Antonarakis. "Drugim riječima, to znači da genom nekoga sa Daunom naginje prosjeku - optimalnom funkcionisanju." Zaista, što su varijacije genske ekspresije manje, to je genom bolji.

Vrhunski genom koji nadoknađuje invaliditet

Genetičari UNIGE i UNIL su tako mogli testirati tri funkcije genoma ljudi koji pate od Downovog sindroma. “Istraživanje je pokazalo da da bi dijete sa Daunom preživjelo trudnoću i potom raslo, njegov genom mora biti kvalitetniji kako bi mogao kompenzirati smetnje uzrokovane dodatnom kopijom hromozoma 21”, zaključuje Popadin. Ovi zaključci se mogu primijeniti i na druge ozbiljne genetske poremećaje kod kojih trudnoća dostiže puni termin.


Genetski inženjering i sintetička genomika u kvascu za razumijevanje života i jačanje biotehnologije

Oblast genetskog inženjeringa rođena je 1973. godine sa "konstrukcija biološki funkcionalnih bakterijskih plazmida in vitro". Od tada je razvijen ogroman broj tehnologija koje omogućavaju čitanje i pisanje DNK velikih razmjera, kao i alate za kompleksne modifikacije i izmjene genetskog koda. Prirodni genomi se mogu posmatrati kao softverska verzija 1.0 sintetičke genomike koja ima za cilj da prepišite ovaj softver sa filozofijama "izgradite da biste razumjeli" i "gradite za primjenu". Jedan od dominantnih modelnih organizama je pekarski kvasac Saccharomyces cerevisiae. Njegova važnost se kreće od drevnih biotehnologija kao što su pečenje i pivarstvo, do vrhunske sinteze vrijednih spojeva u industrijskim razmjerima. Ova sićušna šećerna gljiva uvelike je doprinijela omogućavanju čovječanstvu da dostigne svoj trenutni razvojni status. Ovaj pregled razmatra nedavna dostignuća u oblasti genetskog inženjeringa za kvasac koji pupi S. cerevisiae, i njegovu primjenu u biotehnologiji. Članak naglašava napredak od Sc1.0 do razvoja sintetičke genomike koji utire put ka Sc2.0. S obzirom da se sintetički genom Sc2.0 bliži kraju, članak također ima za cilj predložiti perspektive za potencijalni Sc3.0 i naredne verzije, kao i njegove implikacije na osnovna i primijenjena istraživanja.

Ključne riječi: Saccharomyces cerevisiae Sc2.0 Sc3.0 biotehnološka tvornica ćelija genetski inženjering sintetička biologija sintetička genomika kvasac.

Izjava o sukobu interesa

Autor izjavljuje da nema sukoba interesa.

Figure

Uspostavljene aplikacije kvasca 1.0. (…

Uspostavljene aplikacije kvasca 1.0. ( A ) Kvasac se široko koristio za…

Projekt Sc2.0 i njegove primjene. ( A ) Korak po korak zamjena…

Potencijalni principi dizajna za…

Potencijalni principi dizajna za Sc3.0 genom. ( A ) Najnoviji podaci ukazuju na…


Reference

Gibson, D.G. et al. Stvaranje bakterijske ćelije koju kontroliše hemijski sintetizovan genom. Nauka 329, 52–56 (2010).

Gibson, D.G. Sastavljanje oligonukleotida u kvascu za proizvodnju sintetičkih DNK fragmenata. Metode Mol. Biol. 852, 11–21 (2012).

Gibson, D.G. Enzimski sklop fragmenata DNK koji se preklapaju. Metode Enzymol. 498, 349–361 (2011).

Gibson, D.G. Izgradnja gena i genoma u kvascu. Curr. Protoc. Mol. Biol. 94, 3.22 (2011).

Gibson, D.G. Sinteza fragmenata DNK u kvascu sastavljanjem preklapajućih oligonukleotida u jednom koraku. Nukleinske kiseline Res. 37, 6984–6990 (2009).

Gibson, D.G. et al. Potpuna hemijska sinteza, sastavljanje i kloniranje a Mycoplasma genitalium genom. Nauka 319, 1215–1220 (2008).

Gibson, D.G. et al. Sastavljanje u jednom koraku u kvascu od 25 preklapajućih DNK fragmenata kako bi se formirao potpuni sintetički Mycoplasma genitalium genom. Proc. Natl. Akad. Sci. SAD 105, 20404–20409 (2008).

Gibson, D.G., Smith, H.O., Hutchison, C.A. III., Venter, J.C. & Merryman, C. Hemijska sinteza mitohondrijalnog genoma miša. Nat. Metode 7, 901–903 (2010).

Gibson, D.G. et al. Enzimsko sklapanje molekula DNK do nekoliko stotina kilobaza. Nat. Metode 6, 343–345 (2009).

Benders, G.A. et al. Kloniranje cijelih bakterijskih genoma u kvascu. Nukleinske kiseline Res. 38, 2558–2569 (2010).

Lartigue, C. et al. Transplantacija genoma kod bakterija: promjena jedne vrste u drugu. Nauka 317, 632–638 (2007).

Lartigue, C. et al. Stvaranje bakterijskih sojeva iz genoma koji su klonirani i konstruirani u kvascu. Nauka 325, 1693–1696 (2009).

Venter, J.C. Život brzinom svjetlosti: od dvostruke spirale do zore digitalnog života (Viking, 2013).

Ma, S., Tang, N. & Tian, ​​J. Sinteza DNK, sastavljanje i primjena u sintetičkoj biologiji. Curr. Opin. Chem. Biol. 16, 260–267 (2012).

Ellis, T., Adie, T. & Baldwin, G.S. DNK sklop za sintetičku biologiju: od dijelova do puteva i dalje. Integr. Biol. (Camb.) 3, 109–118 (2011).

Itaya, M., Tsuge, K., Koizumi, M. & Fujita, K. Kombinacija dva genoma u jednoj ćeliji: stabilno kloniranje Synechocystis PCC6803 genom u Bacillus subtilis 168 genom. Proc. Natl. Akad. Sci. SAD 102, 15971–15976 (2005).

Smailus, D.E., Warren, R.L. i Holt, R.A. Konstruisanje velikih segmenata DNK iterativnom klonskom rekombinacijom. Syst. Synth. Biol. 1, 139–144 (2007).

Ma, H., Kunes, S., Schatz, P.J. & Botstein, D. Konstrukcija plazmida homolognom rekombinacijom u kvascu. Gene 58, 201–216 (1987).

Tagwerker, C. et al. Analiza sekvence kompletnih 1,66 Mb Prochlorococcus marinus MED4 genom kloniran u kvascu. Nukleinske kiseline Res. 40, 10375–10383 (2012).

Karas, B.J., Tagwerker, C., Yonemoto, I.T., Hutchison, C.A. III. & Smith, H.O. Kloniranje Acholeplasma laidlawii PG-8A genom u Saccharomyces cerevisiae kao centromerni plazmid kvasca. ACS Synth. Biol. 1, 22–28 (2012).

Karas, B.J. et al. Direktan prijenos cijelih genoma s bakterija na kvasac. Nat. Metode 10, 410–412 (2013).

Schwartz, D.C. & Cantor, C.R. Odvajanje DNK veličine hromozoma kvasca pomoću gel elektroforeze s gradijentom pulsnog polja. Cell 37, 67–75 (1984).

Noskov, V.N. et al. Sastavljanje velikih fragmenata DNK bakterija s visokim G+C u kvascu. ACS Synth. Biol. 1, 267–273 (2012).

Kouprina, N. & Larionov, V. Selektivna izolacija genomskih lokusa iz kompleksnih genoma rekombinacijskim kloniranjem u kvascu povezanom s transformacijom Saccharomyces cerevisiae. Nat. Protoc. 3, 371–377 (2008).

Kornberg, R.D. Eukariotska transkripcijska kontrola. Trendovi Cell Biol. 9, M46–M49 (1999).

Kozak, M. Pokretanje translacije kod prokariota i eukariota. Gene 234, 187–208 (1999).

Marschall, P., Malik, N. & Larin, Z. Transfer YACs do 2,3 Mb netaknutih u ljudske ćelije s polietileniminom. Gene Ther. 6, 1634–1637 (1999).

van Brabant, A.J., Buchanan, C.D., Charboneau, E., Fangman, W.L. & Brewer, B.J. Vještački hromozom kvasca s nedostatkom porijekla pokreće kontrolnu tačku ćelijskog ciklusa. Mol. Cell 7, 705–713 (2001).

Carr, P.A. & Crkva, G.M. Genomski inženjering. Nat. Biotechnol. 27, 1151–1162 (2009).

Wang, H.H. et al. Programiranje ćelija multipleksnim inženjeringom genoma i ubrzanom evolucijom. Priroda 460, 894–898 (2009).

Isaacs, F.J. et al. Precizna manipulacija hromozomima in vivo omogućava zamjenu kodona u cijelom genomu. Nauka 333, 348–353 (2011).

Ellis, H.M., Yu, D., DiTizio, T. & Court, D.L. Visokoefikasna mutageneza, popravka i inženjering hromozomske DNK korištenjem jednolančanih oligonukleotida. Proc. Natl. Akad. Sci. SAD 98, 6742–6746 (2001).

Dymond, J.S. et al. Sintetički kromosomski krakovi funkcioniraju u kvascu i dizajnom stvaraju fenotipsku raznolikost. Priroda 477, 471–476 (2011).

Gaj, T., Gersbach, C.A. & Barbas, C.F. III. Metode zasnovane na ZFN, TALEN i CRISPR/Cas za inženjering genoma. Trendovi Biotechnol. 31, 397–405 (2013).

Gurdon, J.B. & Byrne, J.A. Prvih pola stoljeća nuklearne transplantacije. Proc. Natl. Akad. Sci. SAD 100, 8048–8052 (2003).

Gurdon, J.B. & Wilmut, I. Nuklearni transfer do jaja i oocita. Cold Spring Harb. Perspektiva. Biol. 3, a002659 (2011).

Forster, A.C. & Church, G.M. Ka sintezi minimalne ćelije. Mol. Syst. Biol. 2, 45 (2006).

Forster, A.C. & Church, G.M. Projekti sintetičke biologije in vitro. Genome Res. 17, 1–6 (2007).

Jewett, M.C. & Forster, A.C. Ažuriranje o dizajniranju i izgradnji minimalnih ćelija. Curr. Opin. Biotechnol. 21, 697–703 (2010).

Medema, M.H., van Raaphorst, R., Takano, E. & Breitling, R. Računski alati za sintetički dizajn biohemijskih puteva. Nat. Rev. Microbiol. 10, 191–202 (2012).

Chan, L.Y., Kosuri, S. & Endy, D. Refaktoring bakteriofaga T7. Mol. Syst. Biol. 1, 2005.0018 (2005).

Jaschke, P.R., Lieberman, E.K., Rodriguez, J., Sierra, A. & Endy, D. Potpuno dekomprimirani genom sintetičkog bakteriofaga oX174 sastavljen i arhiviran u kvascu. Virology 434, 278–284 (2012).

Fraser, C.M. et al. Minimalni genski dodatak Mycoplasma genitalium. Nauka 270, 397–403 (1995).

Karr, J.R. et al. Računski model cijele ćelije predviđa fenotip od genotipa. Cell 150, 389–401 (2012).

Dormitzer, P.R. et al. Sintetička generacija virusa vakcine protiv gripe za brzi odgovor na pandemije. Sci. Transl. Med. 5, 185ra68 (2013).

Guye, P., Li, Y., Wroblewska, L., Duportet, X. & Weiss, R. Brza, modularna i pouzdana konstrukcija složenih krugova gena sisara. Nukleinske kiseline Res. 41, e156 (2013).

Temme, K., Zhao, D. & Voigt, C.A. Refaktoriranje klastera gena za fiksaciju dušika iz Klebsiella oxytoca. Proc. Natl. Akad. Sci. SAD 109, 7085–7090 (2012).

O'Neill, B.M. et al. Egzogeni genom hloroplasta za složenu manipulaciju sekvencama u algama. Nukleinske kiseline Res. 40, 2782–2792 (2012).

Smith, H.O., Hutchison, C.A. III., Pfannkoch, C. & Venter, J.C. Generisanje sintetičkog genoma sastavljanjem cijelog genoma: bakteriofag phiX174 iz sintetičkih oligonukleotida. Proc. Natl. Akad. Sci. SAD 100, 15440–15445 (2003).


Opcije pristupa

Dobijte puni pristup časopisu za 1 godinu

Sve cijene su NETO cijene.
PDV će biti dodat kasnije pri naplati.
Obračun poreza bit će finaliziran prilikom plaćanja.

Dobijte vremenski ograničen ili potpun pristup članku na ReadCube-u.

Sve cijene su NETO cijene.


Izuzetno raznoliki morfotipovi i genomi krenarhealnih hipertermofilnih virusa

D. Prangishvili, R.A. Garrett Izuzetno raznoliki morfotipovi i genomi krenarhealnih hipertermofilnih virusa. Biochem Soc Trans 1. april 2004. 32 (2): 204–208. doi: https://doi.org/10.1042/bst0320204

Izvanredna raznolikost morfologija virusa pronađenih u kopnenim hidrotermalnim sredinama s temperaturama >80°C je bez presedana za vodene ekosisteme. Najbolje proučeni virusi sa ovih staništa pripisani su novim porodicama virusa: Fuselloviridae, Lipothrixviridae i Rudiviridae. Svi imaju dvolančane DNK genome i inficiraju hipertermofilne krenarheje iz redova Sulfolobales i Thermoproteales. Predstavnici različitih porodica virusa dijele nekoliko homolognih ORF-ova (otvorenih okvira za čitanje). Međutim, oko 90% svih ORF-ova u sedam sekvenciranih genoma ne pokazuje značajna podudaranja sa sekvencama u javnim bazama podataka. To sugerira da ovi hipertermofilni virusi imaju izuzetna biokemijska rješenja za biološke funkcije. Specifične karakteristike organizacije genoma, kao i strategije za replikaciju DNK, sugeriraju da postoje filogenetski odnosi između krenarhealnih rudivirusa i velikih eukarijalnih DNK virusa: poxvirusa, virusa afričke svinjske kuge i Chlorella virusi. Obrasci sekvenci na krajevima linearnog genoma lipothrixvirusa AFV1 podsjećaju na telomerne krajeve linearnih eukarijalnih hromozoma i sugeriraju da u ovom virusu djeluje primitivni telomerni mehanizam.


Često se kupuju zajedno

Pregled

“Ovo treće izdanje je apsolutno neophodno za uključivanje nedavnih dostignuća, kao što su sekvenciranje genoma, lančana reakcija polimeraze i tehnologija mikromreža, u ovoj oblasti.” (Doody's, 19. oktobar 2012.)

O autoru

Jeremy W. Dale je profesor emeritus na Odsjeku za mikrobne i ćelijske nauke na Univerzitetu Surrey, UK.

Malcolm von Schantz je profesor hronobiologije na Univerzitetu Surrey. On je međunarodno priznati istraživač i iskusan pedagog, koji se usavršavao u Švedskoj, Sjedinjenim Državama i Velikoj Britaniji.

Nicholas Plant je autor Od gena do genoma: koncepti i primjene DNK tehnologije, 3. izdanje, izdavač Wiley.


Genetika, geni i genomi

Moja sestra je uvjerena da imam 100% šanse da imam crvenokosu djecu jer je moja žena riđokosa i mi imamo crvenokose s obje strane moje porodice. Moja boja kose je tamno smeđa i moji roditelji nisu imali crvenokose djece.

Za kontekst, nije me briga koju će boju kose imati moja djeca. Samo želim da postavim rekord u pogledu toga kako moja porodica razumije kako se crvene glave određuju putem njihove genetike.

35 18 26 22

Dominirajte u igri. Uništite njihov Nexus. Doživite Wild Rift na velikom ekranu uz BlueStacks. Preuzeti sada!

Da li su brisanja ili dupliciranja gora? Ili je "zavisi"?

Da li su ljudi najheterogenije vrste koje se pare?

Dozvolite mi da objasnim na šta mislim - obično postoje velika izumiranja ili događaji uskog grla za vrstu svakih hiljadu ili više godina. To obično znači da su u ograničenom prostoru svi partneri za parenje potomci male populacije koja je preživjela tu sušu, epidemiju ili nešto slično. Međutim, u slučaju ljudi, mi smo bili izuzetno uspješni stotinama hiljada godina, tako da se redovno miješaju populacije s vrlo heterogenim porijeklom.

Moje pitanje je da li su naši partneri za parenje obično udaljeniji od drugih životinjskih vrsta? Postoji li papir koji je provjerio ovu stvar?


Reproduktivni genom iz laboratorija

Oblast sintetičke biologije ne samo da posmatra i opisuje procese života, već ih i oponaša. Ključna karakteristika života je sposobnost replikacije, što znači održavanje hemijskog sistema. Naučnici sa Instituta za biohemiju Maks Plank u Martinsridu generisali su sistem koji je u stanju da regeneriše delove sopstvene DNK i proteinske građevne blokove.

U polju sintetičke biologije, istraživači istražuju takozvane procese odozdo prema gore, što znači stvaranje sistema koji oponaša život iz neživih građevnih blokova. Jedna od najosnovnijih karakteristika svih živih organizama je sposobnost da se očuvaju i reprodukuju kao različiti entiteti. Međutim, vještački pristup "odozdo prema gore" za stvaranje sistema, koji je u stanju da se replicira, veliki je eksperimentalni izazov. Po prvi put, naučnici su uspjeli savladati ovu prepreku i sintetizirati takav sistem.

Hannes Mutschler, šef istraživačke grupe "Biomimetic Systems" na Institutu Max Planck za biohemiju, i njegov tim posvećeni su imitaciji replikacije genoma i sinteze proteina pristupom "odozdo prema gore". Oba procesa su fundamentalna za samoodržanje i reprodukciju bioloških sistema. Istraživači su sada uspjeli proizvesti in vitro sistem, u kojem bi se oba procesa mogla odvijati istovremeno. "Naš sistem je u stanju da sam regeneriše značajan dio svojih molekularnih komponenti", objašnjava Mutschler.

Da bi pokrenuli ovaj proces, istraživačima je bio potreban priručnik za konstrukciju, kao i razne molekularne "mašine" i hranjive tvari. Prevedeno na biološke termine, ovo znači da je priručnik za konstrukciju DNK, koji sadrži informacije za proizvodnju proteina. Proteini se često nazivaju "molekularnim mašinama" jer često djeluju kao katalizatori, koji ubrzavaju biokemijske reakcije u organizmima. Osnovni gradivni blokovi DNK su takozvani nukleotidi. Proteini se sastoje od aminokiselina.

Modularna struktura priručnika za izgradnju

Konkretno, istraživači su optimizirali in vitro sistem ekspresije koji sintetiše proteine ​​na osnovu DNK nacrta. Zbog nekoliko poboljšanja, in vitro ekspresioni sistem je sada u stanju da vrlo efikasno sintetiše proteine, poznate kao DNK polimeraze. Ove DNK polimeraze zatim repliciraju DNK koristeći nukleotide. Kai Libicher, prvi autor studije, objašnjava: „Za razliku od prethodnih studija, naš sistem je u stanju da čita i kopira relativno dugačke DNK genome.

Naučnici su sastavili veštačke genome od do jedanaest delova DNK u obliku prstena. Ova modularna struktura im omogućava da lako umetnu ili uklone određene DNK segmente. Najveći modularni genom koji su reproducirali istraživači u studiji sastoji se od više od 116.000 parova baza, dostižući dužinu genoma vrlo jednostavnih ćelija.

Regeneracija proteina

Osim što kodira polimeraze koje su važne za replikaciju DNK, vještački genom sadrži nacrte za dalje proteine, kao što je 30 faktora translacije koji potiču iz bakterije Escherischia coli. Translacijski faktori su važni za prevođenje DNK nacrta u odgovarajuće proteine. Stoga su neophodni za sisteme koji se samorepliciraju, koji imitiraju biohemijske procese. Kako bi pokazali da novi in ​​vitro ekspresioni sistem nije samo u stanju da reprodukuje DNK, već je u stanju da proizvede i sopstvene faktore translacije, istraživači su koristili masenu spektrometriju. Ovom analitičkom metodom odredili su količinu proteina koju proizvodi sistem.

Iznenađujuće, neki od faktora translacije su čak bili prisutni u većim količinama nakon reakcije nego što su dodani prije. Prema istraživačima, ovo je važan korak ka sistemu koji se kontinuirano samoreplicira i oponaša biološke procese.

U budućnosti, naučnici žele da prošire veštački genom dodatnim DNK segmentima. U saradnji sa kolegama iz istraživačke mreže MaxSynBio, žele da proizvedu omotani sistem koji je u stanju da ostane održiv dodavanjem hranljivih materija i odlaganjem otpadnih proizvoda. Takva minimalna ćelija bi se tada mogla koristiti, na primjer, u biotehnologiji kao mašina za proizvodnju prirodnih supstanci po mjeri ili kao platforma za izgradnju još složenijih sistema nalik na život.


32.2: Genomi čitanja i pisanja - Biologija

Područje istraživanja:
Genetika, ćelijska i razvojna biologija
Računarska biologija

B.A., Univerzitet u Bostonu, 2004
Ph.D. Univerzitet Johns Hopkins, 2013

Razvoj sisara oslanja se na složenu interakciju između genetskih i epigenetskih faktora za stvaranje triliona visoko specijaliziranih ćelija iz istog genetskog plana. Ovaj proces je dijelom orkestriran regulacijskim sekvencama gena kodiranih u DNK, na koje zauzvrat utiču epigenetska svojstva uključujući metilaciju DNK, pakovanje DNK i modifikacije proteina za pakovanje DNK. Genomi sisara sadrže stotine epigenetskih regulatora -- koji se zajednički nazivaju &ldquoepigenetička mašinerija&rdquo -- koji su odgovorni za čitanje, pisanje i brisanje ovih epigenetskih informacija. Naše istraživanje nastoji razumjeti kako funkcionira epigenetski mehanizam i kako njegov kvar doprinosi bolesti.

Trenutni smjerovi u laboratoriji nastoje odgovoriti na sljedeća ključna pitanja o epigenetskoj mašineriji:

1. Koje su specifične regulatorne sekvence i ciljni geni pod uticajem komponenti epigenetske mašinerije, iu kojim tipovima ćelija/kontekstima?

2. Kako se komponente epigenetske mašinerije regrutuju u specifične regije genoma (npr. regulatorne sekvence) u specifičnim ćelijskim kontekstima?

3. Kojim mehanizmima mutacije koje izazivaju bolesti u komponentama epigenetske mašinerije dovode do fenotipova na molekularnom, ćelijskom i nivou organizma.

Da bismo odgovorili na ova pitanja, koristimo razne alate uključujući epigenomiku, uređivanje genoma, jednoćelijsku genomiku i kompjutersku biologiju, s fokusom na razvoj miševa i modele kulture ljudskih ćelija.


Pogledajte video: Učimo da čitamo prvi deo, dyslexia.. (Februar 2023).