Пренаписване на генетичния код Най-големият изкуствен геном, създаван някога в лабораторията, ражда
Посланието, необходимо за изграждане на организъм, е в последователността на частите, които изграждат ДНК. С Проектът за човешкия геном това кодирано съобщение беше дешифрирано в 3 милиарда базови двойки. Четенето на ДНК обаче беше само първата стъпка. Геномът също може да бъде пренаписан от нулата.
Екип от изследователи от Университета в Кеймбридж, воден от д-р Джейсън Чин, пренаписа ДНК на вид от E. Coli в лабораторията. Това е най-големият изкуствен геном, построен някога, състоящ се от 4 милиона базови двойки, 4 пъти по-големи от другите модифицирани организми до момента. Отнемането на цялата последователност ще отнеме 970 страници. Генетичният код на бактерията се основава на 61 кодона, а не на 64, както се случва в живия свят.
Нарича се новото тяло Syn61 и е по-дълъг от естествената бактерия, расте по-бавно, но е първият жизнеспособен организъм с възможно най-големи геномни промени. Неговите клетки произвеждат едни и същи протеини, но използвайки различен генетичен код. Данните от проучването са публикувани в Nature.
Източник на снимки - Университет в Кеймбридж
Приложенията за развитие на организми със синтетични геноми биха били безброй, от получаването на бактерии, устойчиви на вирусни инфекции, до създаването на микроорганизми, които позволяват поглъщането на въглероден диоксид от атмосферата или производството на ваксини. В момента екипът на Кеймбридж работи за определяне на минималния брой гени, необходими за поддържане на живота.
Как работи генетичният код?
ДНК молекулата се основава на нуклеотиди. Има 4 вида нуклеотиди в зависимост от съдържащата се в тях азотна основа - аденин, тимин, гуанин и цитозин. Генетичният код е набор от правила, които показват как тази 4-буквена молекулярна "азбука" трябва да произвежда 20-те естествени аминокиселини, които влизат в структурата на протеините.
Буквите на азбуката имат смисъл, когато образуват думи, а думите образуват изречения. По същия начин 4-те букви от човешкия геном се четат според специфични правила, за да придобият значение и да се изгради функционален организъм.
Франсис Крик, един от откривателите на структурата на ДНК, първо предложи концепцията на CODON за определяне на нуклеотидната последователност, която диктува конструкцията на аминокиселина. Три последователни нуклеотида представляват кодон.
Източник на снимки - Университет в Юта
Генетичният код е универсален, почти всички организми в живия свят използват 64 кодона. От тях 61 кодона кодират 20-те естествени аминокиселини. Останалите 3 кодона имат ролята да спрат четенето на съобщението, отбелязвайки прекратяването на протеиновия синтез. Следователно се говори за a съкращаване на нивото на генетичния код. Кодоните са повече от аминокиселините. Аминокиселината може да бъде определена от няколко кодона. Например TTA, TTG, CTT, CTC, CTA, CTG са кодони, които определят аминокиселината левцин.
Обратната връзка не е валидна. Кодонът посочва единична аминокиселина. Нещо повече, друг съществен елемент е това Няма припокривания в генетичния код. Трите нуклеотида, които изграждат кодон, не могат да бъдат част от съседни кодони.
Някои кодони са свързани с по-бърз процес на транслация в рибозомите, докато други се транслират по-бавно. По този начин кодоните се обработват по различен начин и могат да повлияят на събирането на протеини.
Това съкращаване не е случайно и е полезно при определени обстоятелства. Някои ДНК последователности кодират както ген, така и важна информация за генната регулация, така че да се появят специфични РНК структури с добре дефинирана роля. По този начин активността на миглите е много по-добре регулирана. Някои съобщения се декодират, което води до появата на определени протеини по-лесно от други.
Целта на екипа на Кеймбридж беше да елиминира излишните кодони, за да се наблюдава минималният набор от гени, необходими на организма да функционира.
Как е получено изкуствен геном Syn61?
Изследването се проведе в лабораторията по молекулярна биология на медицинските изследователски съвети (MRC) и беше решено да се секвенира и модифицира генома на бактерията Е. Coli поради способността му да оцелява с помощта на малък брой гени.
Направени са множество промени в ключовите кодони на над 18 000 места:
- Всеки TCG кодон беше заменен с AGC, всеки TCA кодон беше заменен с AGT
- Спирателният презерватив TAG е заменен с TAA
След като се установи последователността на изкуствения геном, новият генетичен код беше въведен в клетките. Геномът беше фрагментиран на по-малки компоненти и постепенно бяха въведени нови парчета.
Някои синонимни кодони причиняват производството на различни протеини и някои характеристики могат да доведат до невъзможност на клетката да оцелее.
„Има много начини да прекодирате геном, но те често са проблематични. Клетките умират. “- д-р Чин.
Въз основа на алгоритъма, предложен от д-р Чин, бактерията Е. coli е оцеляла, използвайки само 59 кодона, които определят всичките 20 аминокиселини и два стоп кодона вместо три.
По-рано се съобщава за производството на синтетични молекули на ДНК в дрожди и бактерията Mycoplasma mycoides, но геномът на тези организми има до 1 милион базови двойки. Геномът на Е. coli има 4 милиона базови двойки.
Първият организъм с напълно синтетичен геном, вид Mycoplasma mycoides, е произведен през 2010 г. в института Craig Venter. Проектът продължи повече от 15 години и геномът на бактерията беше много по-малък от този на Е. coli.
През 2016 г. стартира още един амбициозен проект "Проект за геном - пишете", откриване на нов етап в геномиката. Пренаписването на генетичното послание в лабораторията може да доведе до неограничени приложения в медицината и биологията, като създаване на клетки, които не могат да бъдат заразени с вируси или въвеждане на функции, които позволяват на клетките да издържат на ракова трансформация.
Истинското предизвикателство в разбирането на човешкия геном не беше откриването на последователностите, които го съставят, а как тази информация може да се използва. Първото важно наблюдение беше, че всъщност само 1-2% от човешкия геном кодира функционални продукти и съставлява екзома, което демонстрира сложността на организирането на генетичния материал.
Определянето на минималния брой гени, които могат да поддържат живота, е друг ключов момент. Така е и разширяването на генетичната „азбука“, за което вече се установи, че е възможно. През 2018 г. експерти от изследователския институт Scripps съобщиха за безпрецедентни резултати, използвайки още два вида нуклеотиди, X и Y, в допълнение към 4-те основни, за получаване на функционални протеини. Те създадоха първия полусинтетичен организъм, който може да съхранява много по-голямо количество генетичен материал.