Test Tube Monster: Pokrok Bol Dosiahnutý Pri Vytváraní Syntetickej Formy života

Video: Test Tube Monster: Pokrok Bol Dosiahnutý Pri Vytváraní Syntetickej Formy života

Video: Test Tube Monster: Pokrok Bol Dosiahnutý Pri Vytváraní Syntetickej Formy života
Video: Keeping Ants in Test Tubes (Basics) | Ant Keeping 101 2024, Marec
Test Tube Monster: Pokrok Bol Dosiahnutý Pri Vytváraní Syntetickej Formy života
Test Tube Monster: Pokrok Bol Dosiahnutý Pri Vytváraní Syntetickej Formy života
Anonim
Test Tube Monster: Pokrok bol dosiahnutý pri vytváraní syntetickej formy života - baktérie, genóm, syntetika
Test Tube Monster: Pokrok bol dosiahnutý pri vytváraní syntetickej formy života - baktérie, genóm, syntetika
Image
Image

Biológom sa podarilo vytvoriť Baktéria so syntetickým genómomodstránením všetkých génov, od ktorých sa dá upustiť.

Mikroorganizmus môže existovať iba v ideálnych laboratórnych podmienkach, takže pre tých, ktorí sú podozriví z takýchto experimentov, môže len ťažko predstavovať nebezpečenstvo. „Lenta.ru“sa zoznámil s revolučným výskumom a zistil, prečo sú jeho výsledky také dôležité.

Bunky sú základnou jednotkou živého organizmu. Ich existencia zase závisí od genómu-súhrnu všetkého dedičného materiálu, ktorý zahŕňa gény a DNA, ktorá nekóduje proteíny. Genóm obsahuje šifrované informácie, ktoré určujú chemické zloženie bunky, metabolizmus, jej štruktúru, reprodukciu a mnoho ďalších.

Každý genóm je druhom inštrukcie, pomocou ktorej sa vykonávajú životne dôležité procesy, spoločné pre všetky živé organizmy na Zemi, aj špecifické pre konkrétne druhy.

Genóm aktívne interaguje s cytoplazmou bunky. Na jednej strane určuje funkcie jeho jednotlivých zložiek a na strane druhej niektoré z týchto zložiek samy regulujú aktivitu génov, urýchľujú alebo potláčajú produkciu životne dôležitých bielkovín.

Genóm je možné považovať za súčasť softvéru bunky. Sekvenovanie je metóda, pomocou ktorej môžete určiť chemické zloženie DNA, umožňuje vám dešifrovať pokyny kódované v genóme a určiť, aké funkcie konkrétny kus DNA plní.

Vedci dlhé roky skúmali možnosť zjednodušenia genómu bakteriálnej bunky tak, aby zostali iba gény a regulačná DNA, ktoré v ideálnych laboratórnych podmienkach poskytujú základné funkcie - rast a reprodukciu. V prírode organizmy s takýmto genómom nemohli prežiť, pretože by sa museli prispôsobiť neustále sa meniacemu prostrediu a gény, ktoré poskytujú takú plasticitu, z nich boli odstránené.

Typické baktérie, ako sú Bacillus subtilis a Escherichia coli, sú vysoko adaptabilné, pretože nesú gény, ktoré sa aktivujú iba za určitých podmienok. Veľkosť kódujúceho genómu týchto baktérií pozostáva zo štyroch až piatich tisíc génov. Iné baktérie uprednostňujú stabilné prostredie, ktoré sa tisícročia nemení, a tak evolúcia prebytočnú DNA navždy „vypne“.

Etapy minimalizácie genómu M. mycoides

Image
Image

V roku 1984 americký biofyzik pôvodu života Harold Morowitz naznačil, že mykoplazmy by mohli byť vhodným predmetom na štúdium základných životných základov. Mykoplazmy sú triedou baktérií, ktoré sú najjednoduchšími známymi bunkovými organizmami. Sekvenovanie genómu Mycoplasma genitalium bolo dokončené v roku 1995, ale určenie funkcií jeho konkrétnych oblastí zostáva náročné.

Mykoplazmy sa zvyčajne vyvíjajú v prostredí bohatom na živiny, ako sú parazitizované bunky zvierat a ľudí. Toto prostredie je relatívne stabilné, a preto majú najmenší známy genóm medzi nezávisle sa reprodukujúcimi organizmami.

V roku 1996 bioinformatika Evgeny Kunin a Arkady Mushegyan porovnali genómy dvoch baktérií - Haemophilus influenzae (obsahuje 1815 génov) a M.genitalium (525 génov - najmenší známy mykoplazmatický genóm). Dokázali identifikovať 240 génov, ktoré sa nachádzali v oboch baktériách a pokrývali väčšinu základných bunkových funkcií.

Vedci k nim pridali ďalších 16 génov potrebných na implementáciu životne dôležitých metabolických procesov a získali takzvaný „najmenší možný súbor génov“.

V roku 1999 tím biológov vedený Craigom Venterom pomocou metódy nazývanej globálna transpozónová mutagenéza spresnil počet génov z najmenšej sady. Vedci sa striedavo vypínali gény M. genitalium a vkladali transpozóny - „skákajúce“fragmenty DNA, ktoré sú schopné pohybu a reprodukcie v genóme.

Ak baktéria prežila s vypnutým génom, potom bola považovaná za bezvýznamnú pre svoj život. Ukázalo sa, že najmenší možný súbor génov by mal obsahovať najmenej 375 génov. Prinajmenšom preto, že táto metóda má nevýhodu: ak má gén „dvojníka“, potom keď ho postupne vypnete, bunka prirodzene prežije, ale ak obe naraz, zomrú.

Približne v rovnakom čase vedci začali vyvíjať metódy na vytvorenie umelého genómu s cieľom obnoviť minimálny súbor génov. Nedostatočne rýchlo sa množiaci M. genitalium nahradili M. mycoides, ktorý je vhodnejší na laboratórne experimenty. Jeho veľkosť genómu je asi 900 génov, alebo inými slovami, viac ako milión párovaných báz - „stavebné bloky“dvojitého reťazca DNA. V roku 2010 získali biológovia kmeň JCVI-syn1.0, mykoplazmu s chemicky syntetizovaným genómom.

Aby to urobili, vedci vložili jednotlivé fragmenty DNA M. mycoides do bunky recipientnej baktérie, ktorej vlastný genóm bol predtým zničený. JCVI-syn1.0 bola takmer presnou kópiou M. mycoides, s výnimkou prítomnosti „technickej“DNA (genetické markery), ktorá bola na stavbu genómu použitá ako „lesy“.

Porovnanie rastových vlastností kolónií JCVI-syn1.0 a JCVI-syn3.0

Image
Image

V novej práci tím biológov použil údaje, ktoré predtým získali pomocou transpozónovej metódy, ako aj informácie z iných článkov, ktoré hodnotili životaschopnosť baktérií s postupným odstraňovaním rezov DNA z nich.

Navyše, aby sa vylúčili „dvojníky“, vedci určili funkciu génov ich porovnaním s podobnými génmi, ktorých účel bol už známy. Všetky gény M. mycoides boli teda klasifikované ako esenciálne alebo neesenciálne. Na základe všetkých dostupných informácií a neustálych experimentálnych testovaní boli vedci schopní určiť minimálny genóm.

Celá štúdia môže byť prezentovaná ako cyklus. V každom štádiu biológovia syntetizovali rôzne neúplné genómy JCVI-syn1.0 v kvasinkových bunkách a odstránili z nich gény, ktoré boli hypoteticky nevýznamné. Potom boli genómy transplantované do recipientných buniek M. capricolum, potom bola stanovená životaschopnosť získaných mikroorganizmov.

Potom vedci precenili dôležitosť špecifických génov a cyklus sa začal odznova. Nakoniec vedci získali nový kmeň baktérií - JCVI -syn3.0, ktorého genóm bol v porovnaní s predchádzajúcou verziou skrátený na polovicu a predstavoval 531 tisíc párov báz. Kóduje 438 proteínov a 35 typov regulačných RNA - 437 génov.

Vedci zistili, že 49 percent zostávajúcich génov si zachovalo svoju funkciu z čias posledného spoločného predka. Úloha ďalších 149 génov nie je v súčasnosti známa, aj keď ich potenciálne homológy (gény spoločného pôvodu) sa našli v iných organizmoch a kódujú proteíny, ktorých funkcie ešte neboli objasnené.

Na druhej strane prežili takmer všetky gény, ktorých práca je spojená s transkripciou a reguláciou DNA, metabolizmom RNA, skladaním bielkovín, syntézou ribozómov, ako aj s duplikáciou DNA, jej obnovou a ďalšími genetickými mechanizmami, ktoré by mohli existujú od najskorších období vývoja života.

Dvojvlákna DNA sú tvorené párovanými bázami, v ktorých sekvencii sú kódované informácie o proteínoch alebo regulačných RNA

Image
Image

Biológovia celkovo odstránili 428 génov. Funkcie väčšiny z nich sú tiež neznáme, ale 73 génov bolo mobilnými genetickými prvkami - sekvenciami DNA pohybujúcimi sa v genóme - a oblasťami genómu, ktoré kódujú enzýmy, ktoré hydrolyzujú nukleové kyseliny.

Odstránili tiež 72 génov zodpovedných za syntézu lipoproteínov - proteínov zapojených do metabolizmu lipidov. Pretože živné médium v laboratóriu poskytovalo bunkám všetky potrebné látky, neboli potrebné gény zapojené do transportu, katabolizmu, štiepenia bielkovín a ďalších metabolických procesov, ktoré sa stali nadbytočnými.

Dôležitým výsledkom štúdie nie je, že by bolo možné získať „univerzálne genetické jadro života“- to je v zásade nemožné, pretože v rôznych organizmoch môžu byť gény z najmenšieho možného súboru nielen odlišné, ale aj rôzneho pôvodu.

Hlavným významom práce je, že bola vytvorená univerzálna platforma na štúdium základných funkcií života a štúdium štruktúry genómu. Okrem toho samotná metóda, vyvinutá vedcami na syntézu JCVI-syn3.0, vám umožňuje vytvárať nové genómové konštrukty, ako aj navrhovať modelové bunky, ktorých funkcia každého génu je dobre známa.

Podľa vedcov to poskytne príležitosť vytvoriť metabolické cesty pre syntézu liečiv a priemyselných chemikálií.

Odporúča: