Синтетическая геномика
| Часть серии статей о |
| Синтетическая биология |
|---|
| Синтетические биологические цепи |
| Редактирование генома |
| Искусственные клетки |
| Ксенобиология |
| Другие темы |
Синтетическая геномика — это зарождающаяся область синтетической биологии , которая использует аспекты генетической модификации уже существующих форм жизни или искусственный синтез генов для создания новой ДНК или целых форм жизни.
Обзор [ править ]
Синтетическая геномика отличается от генетической модификации в том смысле, что она не использует встречающиеся в природе гены в своих формах жизни. Она может использовать специально разработанные серии пар оснований , хотя в более расширенном и пока нереализованном смысле синтетическая геномика может использовать генетические коды, которые не состоят из двух пар оснований ДНК , которые в настоящее время используются жизнью.
Развитие синтетической геномики связано с некоторыми новейшими техническими возможностями и технологиями в области генетики. Возможность дешево и точно создавать длинные цепочки пар оснований в больших масштабах позволила исследователям проводить эксперименты с геномами, которые не существуют в природе. В сочетании с развитием моделей сворачивания белков и снижением вычислительных затрат область синтетической геномики начинает вступать в продуктивную стадию жизнеспособности.
История [ править ]
![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( май 2016 г. ) |
Впервые исследователям удалось создать синтетический организм в 2010 году. [1] Этот прорыв был предпринят компанией Synthetic Genomics, Inc. , которая продолжает специализироваться на исследованиях и коммерциализации специально разработанных геномов. [2] Это было достигнуто путем синтеза генома размером 600 т.п.н. (напоминающего геном Mycoplasmagentium , за исключением вставки нескольких водяных знаков) с помощью метода сборки Гибсона и рекомбинации, связанной с трансформацией. [3]
Технология рекомбинантной ДНК [ править ]
Вскоре после открытия рестрикции эндонуклеаз и лигаз генетика начала использовать эти молекулярные инструменты для сборки искусственных последовательностей из более мелких фрагментов синтетической или встречающейся в природе ДНК. Преимущество использования рекомбинаторного подхода по сравнению с непрерывным синтезом ДНК проистекает из обратной зависимости, существующей между длиной синтетической ДНК и процентной чистотой этой синтетической длины. Другими словами, по мере синтеза более длинных последовательностей количество клонов, содержащих ошибки, увеличивается из-за свойственной современным технологиям частоты ошибок. [4] Хотя технология рекомбинантной ДНК чаще используется для создания слитых белков и плазмид , появилось несколько методов с большей производительностью, позволяющих создавать целые геномы. [5]
Циклическая полимеразы сборка
В сборке полимеразного цикла (PCA) используется серия олигонуклеотидов (или олигонуклеотидов) длиной примерно от 40 до 60 нуклеотидов, которые в целом составляют обе цепи синтезируемой ДНК. Эти олигонуклеотиды сконструированы таким образом, что один олигонуклеотид одной цепи содержит длину примерно 20 нуклеотидов на каждом конце, что комплементарно последовательностям двух разных олигонуклеотидов на противоположной цепи, тем самым создавая области перекрытия. Весь набор обрабатывается посредством циклов: (а) гибридизации при 60°C; (б) элонгация с помощью Taq-полимеразы и стандартной лигазы; и (c) денатурация при 95 ° C, приводящая к постепенному образованию более длинных смежных цепей и, в конечном итоге, к образованию окончательного генома. [6] PCA использовался для создания первого в истории синтетического генома вируса Phi X 174 . [7]
Метод сборки Гибсона [ править ]
Метод сборки Гибсона , разработанный Дэниелом Гибсоном во время его работы в Институте Дж. Крейга Вентера , требует набора двухцепочечных кассет ДНК, которые составляют весь синтезируемый геном. Обратите внимание, что кассеты отличаются от контигов по определению тем, что эти последовательности содержат области гомологии с другими кассетами для целей рекомбинации . В отличие от циклической сборки полимеразы, сборка Гибсона представляет собой одностадийную изотермическую реакцию с большей емкостью последовательности; следовательно, он используется вместо полимеразной циклической сборки для геномов размером более 6 т.п.н.
Экзонуклеаза Т5 выполняет реакцию обратного жевания на концевых сегментах, действуя в направлении от 5' к 3', тем самым создавая комплементарные выступы. Выступы гибридизуются друг с другом, ДНК-полимераза Phusion заполняет недостающие нуклеотиды, а разрывы запечатываются лигазой. Однако количество геномов, которые можно синтезировать только этим методом, ограничено, поскольку по мере увеличения длины кассет ДНК они требуют размножения in vitro, чтобы продолжить гибридизацию; соответственно, сборка Гибсона часто используется в сочетании с рекомбинацией, связанной с трансформацией (см. Ниже), для синтеза геномов размером в несколько сотен тысяч оснований. [8]
Рекомбинация, трансформацией связанная с
Целью технологии рекомбинации, связанной с трансформацией (TAR) в синтетической геномике, является объединение контигов ДНК посредством гомологичной рекомбинации, осуществляемой искусственной хромосомой дрожжей (YAC). Важным является элемент CEN в векторе YAC, который соответствует центромере дрожжей. Эта последовательность придает вектору способность вести себя хромосомно, тем самым позволяя ему осуществлять гомологичную рекомбинацию. [9]
Сначала клонирование с репарацией пробелов выполняется для создания областей гомологии, фланкирующих контиги ДНК. Клонирование с восстановлением пробелов — это особая форма полимеразной цепной реакции , в которой используются специализированные праймеры , выходящие за пределы последовательности целевой ДНК. [10] Затем кассеты ДНК подвергаются воздействию вектора YAC, который запускает процесс гомологичной рекомбинации, тем самым соединяя кассеты ДНК. Полимеразная циклическая сборка и технология TAR были использованы вместе для создания генома Mycoplasmaogenicium размером 600 т.п.н. в 2008 году, первого когда-либо созданного синтетического организма. [11] аналогичные шаги были предприняты при синтезе более крупного генома Mycoplasma mycoides . Несколько лет спустя [12]
Неестественная пара оснований (UBP) [ править ]
Неестественная пара оснований (UBP) — это спроектированная субъединица (или азотистое основание ) ДНК , созданная в лаборатории и не встречающаяся в природе. В 2012 году группа американских учёных во главе с Флойдом Э. Ромесбергом , химиком-биологом из Научно-исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовала информацию о том, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP). [13] Два новых искусственных нуклеотида или пары неестественных оснований (UBP) были названы d5SICS и dNaM . С технической точки зрения, эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные нуклеиновые основания , имеют два слитых ароматических кольца , которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК. [14] [15] В 2014 году та же команда из Научно-исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали участок кольцевой ДНК, известный как плазмида, содержащую природные пары оснований TA и CG, вместе с наиболее эффективной разработкой лаборатории UBP Ромесберга, и вставили ее в клетки обычного организма. бактерия E. coli , которая успешно реплицировала неприродные пары оснований в нескольких поколениях. [16] Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям. [14] [17] Частично это было достигнуто за счет добавления вспомогательного гена водорослей, который экспрессирует транспортер нуклеотид-трифосфата , который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в E. coli . бактерии [14] Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точной репликации плазмиды, содержащей d5SICS-dNaM.
Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом на пути к значительному расширению числа аминокислот , которые могут кодироваться ДНК, с существующих 20 аминокислот до теоретически возможных 172, тем самым расширяя возможности живых организмов производить новые белки . [16] Искусственные нити ДНК пока ничего не кодируют, но ученые предполагают, что их можно спроектировать для производства новых белков, которые могут найти промышленное или фармацевтическое применение. [18]
Компьютерная форма [ править ]
В апреле 2019 года ученые из ETH Zurich сообщили о создании первого в мире бактериального генома под названием Caulobacter ethensis-2.0 , полностью созданного с помощью компьютера, хотя родственная жизнеспособная форма C. ethensis-2.0 еще не существует. [19] [20]
См. также [ править ]
- Искусственный синтез генов
- Искусственно расширенная генетическая информационная система
- Биороид
- Генная инженерия
- ДНК Хатимодзи
- Синтетическая биологическая схема
- Синтетические геномы
Ссылки [ править ]
- ^ Хотц, Роберт Ли. «Ученые создают синтетический организм» . Уолл Стрит Джорнал . ISSN 0099-9660 . Проверено 23 сентября 2015 г.
- ^ «Синтетическая Геномика, Инк. – Наш бизнес» . www.syntheticgenomics.com . Проверено 26 сентября 2015 г.
- ^ Монтегю, Майкл Дж; Лартиг, Кэрол; Ваши, Санджай (1 января 2012 г.). «Синтетическая геномика: возможности и ограничения». Современное мнение в области биотехнологии . 23 (5): 659–665. дои : 10.1016/j.copbio.2012.01.014 . ПМИД 22342755 .
- ^ Монтегю, Майкл Дж; Лартиг, Кэрол; Ваши, Санджай (2012). «Синтетическая геномика: возможности и ограничения». Современное мнение в области биотехнологии . 23 (5): 659–665. дои : 10.1016/j.copbio.2012.01.014 . ПМИД 22342755 .
- ^ Гибсон, Дэниел (2011). Синтетическая биология, Часть B: Компьютерное проектирование и сборка ДНК; Глава пятнадцатая. Ферментативная сборка перекрывающихся фрагментов ДНК . Академическая пресса. стр. 349–361. ISBN 978-0-12-385120-8 .
- ^ Стеммер, Виллем ПК; Крамери, Андреас; Ха, Ким Д.; Бреннан, Томас М.; Хейнекер, Герберт Л. (16 октября 1995 г.). «Одноэтапная сборка гена и всей плазмиды из большого количества олигодезоксирибонуклеотидов». Джин . 164 (1): 49–53. дои : 10.1016/0378-1119(95)00511-4 . ПМИД 7590320 .
- ^ Смит, Гамильтон О.; Хатчисон, Клайд А.; Пфанкох, Синтия; Вентер, Дж. Крейг (23 декабря 2003 г.). «Создание синтетического генома путем сборки всего генома: бактериофаг φX174 из синтетических олигонуклеотидов» . Труды Национальной академии наук . 100 (26): 15440–15445. Бибкод : 2003PNAS..10015440S . дои : 10.1073/pnas.2237126100 . ISSN 0027-8424 . ПМК 307586 . ПМИД 14657399 .
- ^ Гибсон, Дэниел Дж; Янг, Лей; Чуанг, Рэй-Юань; Вентер, Дж. Крейг; Хатчисон, Клайд А; Смит, Гамильтон О (12 апреля 2009 г.). «Ферментативная сборка молекул ДНК размером до нескольких сотен килобаз». Природные методы . 6 (5): 343–345. дои : 10.1038/nmeth.1318 . ПМИД 19363495 . S2CID 1351008 .
- ^ Куприна, Наталья; Ларионов, Владимир (1 декабря 2003 г.). «Использование дрожжей Saccharomyces cerevisiae для изучения организации и эволюции сложных геномов» . Обзоры микробиологии FEMS . 27 (5): 629–649. дои : 10.1016/S0168-6445(03)00070-6 . ISSN 1574-6976 . ПМИД 14638416 .
- ^ Марсишки, Джеральд; ЛаБаер, Джошуа (15 октября 2004 г.). «Многие пути ко многим клонам: сравнительный взгляд на методы клонирования с высокой пропускной способностью» . Геномные исследования . 14 (10б): 2020–2028 гг. дои : 10.1101/гр.2528804 . ISSN 1088-9051 . ПМИД 15489321 .
- ^ Гибсон, Дэниел Г.; Бендерс, Гвинед А.; Эндрюс-Пфанкох, Синтия; Денисова Евгения А.; Баден-Тилсон, Холли; Завери, Джейшри; Стоквелл, Тимоти Б.; Браунли, Анушка; Томас, Дэвид В. (29 февраля 2008 г.). «Полный химический синтез, сборка и клонирование генома Mycoplasmaogenicium». Наука . 319 (5867): 1215–1220. Бибкод : 2008Sci...319.1215G . дои : 10.1126/science.1151721 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18218864 . S2CID 8190996 .
- ^ Гибсон, Дэниел Г.; Гласс, Джон И.; Лартиг, Кэрол; Носков Владимир Н.; Чуанг, Рэй-Юань; Альжир, Миккель А.; Бендерс, Гвинед А.; Монтегю, Майкл Г.; Ма, Ли (2 июля 2010 г.). «Создание бактериальной клетки, контролируемой химически синтезированным геномом». Наука . 329 (5987): 52–56. Бибкод : 2010Sci...329...52G . дои : 10.1126/science.1190719 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 20488990 .
- ^ Малышев Денис А.; Дхами, Кирандип; Куах, Генри Т.; Лавернь, Томас; Ордуханян, Филипп (24 июля 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, создает функциональный шестибуквенный генетический алфавит» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (30): 12005–12010. Бибкод : 2012PNAS..10912005M . дои : 10.1073/pnas.1205176109 . ПМК 3409741 . ПМИД 22773812 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Малышев Денис А.; Дхами, Кирандип; Лавернь, Томас; Чен, Тинцзянь; Дай, Нэн; Фостер, Джереми М.; Корреа, Иван Р.; Ромесберг, Флойд Э. (7 мая 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» . Природа . 509 (7500): 385–8. Бибкод : 2014Natur.509..385M . дои : 10.1038/nature13314 . ПМК 4058825 . ПМИД 24805238 .
- ^ Каллауэй, Юэн (7 мая 2014 г.). «Ученые создали первый живой организм с «искусственной» ДНК» . Новости природы . Хаффингтон Пост . Проверено 8 мая 2014 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Файкс, Брэдли Дж. (8 мая 2014 г.). «Жизнь создана с использованием расширенного генетического кода» . Сан-Диего Юнион Трибьюн . Проверено 8 мая 2014 г.
- ^ Сэмпл, Ян (7 мая 2014 г.). «Первые формы жизни, передавшие искусственную ДНК, созданную американскими учеными» . Хранитель . Проверено 8 мая 2014 г.
- ^ Поллак, Эндрю (7 мая 2014 г.). «Ученые добавляют буквы в алфавит ДНК, вселяя надежду и страх» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 8 мая 2014 г.
- ^ ETH Цюрих (1 апреля 2019 г.). «Первый бактериальный геном, полностью созданный с помощью компьютера» . ЭврекАлерт! . Проверено 2 апреля 2019 г.
- ^ Венец, Джонатан Э.; и др. (1 апреля 2019 г.). «Химический синтез: переписывание бактериального генома для достижения гибкости дизайна и биологической функциональности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (16): 8070–8079. дои : 10.1073/pnas.1818259116 . ПМК 6475421 . ПМИД 30936302 .
Внешние ссылки [ править ]
- Синтетические геномы: технологии и влияние - в 2004 году для Министерства энергетики завершено исследование по этому вопросу.
- Эффекты развития синтетической геномики: слушания в Комитете по энергетике и торговле, Палата представителей, Сто одиннадцатый Конгресс, вторая сессия, 27 мая 2010 г.
