Синтетическая геномика

редактировать
Чтобы узнать о компании, см. Synthetic Genomics (компания).

Синтетическая геномика - это зарождающаяся область синтетической биологии, которая использует аспекты генетической модификации ранее существовавших форм жизни или искусственный синтез генов для создания новой ДНК или целых форм жизни.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Обзор
  • 2 История
  • 3 Технология рекомбинантной ДНК
    • 3.1 Сборка циклического полимеразы
    • 3.2 Метод сборки Гибсона
    • 3.3 Рекомбинация, связанная с трансформацией
  • 4 Неестественная пара оснований (UBP)
  • 5 Форма компьютерная
  • 6 См. Также
  • 7 ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Обзор

Синтетическая геномика отличается от генетической модификации в том смысле, что она не использует естественные гены в своих жизненных формах. Он может использовать специально созданных серию пар оснований, хотя в более расширен и в настоящий нереализованные смысл синтетических Genomics могли бы использовать генетические коды, которые не состоит из двух пар оснований в 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 строить длинные цепочки пар оснований в больших масштабах позволила исследователям проводить эксперименты с геномами, которые не существуют в природе. В сочетании с разработками моделей сворачивания белков и снижением вычислительных затрат полевая синтетическая геномика начинает вступать в продуктивную стадию жизнеспособности.

История

Впервые исследователи смогли создать синтетический организм в 2010 году. Этот прорыв был сделан компанией Synthetic Genomics, Inc., которая продолжает специализироваться на исследовании и коммерциализации геномов, созданных по индивидуальному заказу. Это было достигнуто путем синтеза генома 600 т.п.н. (напоминающего геном Mycoplasma genitalium, за исключением вставки нескольких водяных знаков) с помощью метода сборки Гибсона и рекомбинации, связанной с трансформацией.

Технология рекомбинантной ДНК

Вскоре после открытия рестрикционных эндонуклеаз и лигаз в области генетики начали использовать эти молекулярные инструменты для сборки искусственных последовательностей из меньших фрагментов синтетической или естественной ДНК. Преимущество использования рекомбинаторного подхода по сравнению с непрерывным синтезом ДНК проистекает из обратной зависимости, которая существует между длиной синтетической ДНК и процентной чистотой этой синтетической длины. Другими словами, по мере того, как вы синтезируете более длинные последовательности, количество клонов, содержащих ошибки, увеличивается из-за присущего текущим технологиям уровня ошибок. Хотя технология рекомбинантной ДНК чаще используется при конструировании слитых белков и плазмид, появилось несколько методов с большими возможностями, позволяющих конструировать целые геномы.

Сборка для циклирования полимеразы

Полимеразный цикл сборки. Синие стрелки представляют олигонуклеотиды от 40 до 60 пар оснований с перекрывающимися областями примерно 20 пар оснований. Цикл повторяется до тех пор, пока не будет построен окончательный геном.

Сборка циклических полимераз (PCA) использует серию олигонуклеотидов (или олигонуклеотидов) длиной примерно от 40 до 60 нуклеотидов, которые вместе составляют обе цепи синтезируемой ДНК. Эти олигонуклеотиды сконструированы таким образом, что один олигонуклеотид из одной цепи содержит приблизительно 20 нуклеотидов на каждом конце, который комплементарен последовательностям двух разных олигонуклеотидов на противоположной цепи, тем самым создавая области перекрытия. Весь набор обрабатывают циклами: (а) гибридизации при 60 ° C; (б) удлинение с помощью полимеразы Taq и стандартной лигазы; и (c) денатурация при 95 ° C с образованием все более длинных смежных цепей и в конечном итоге приводит к окончательному геному. PCA был использован для создания первого в истории синтетического генома вируса Phi X 174.

Метод сборки Гибсона

Метод сборки Гибсона. Синие стрелки представляют собой кассеты ДНК, которые могут быть любого размера, например, 6 т.п.н. каждая. Оранжевые сегменты представляют собой области идентичных последовательностей ДНК. Этот процесс может выполняться с несколькими начальными кассетами.

Метод сборки Гибсона, разработанный Дэниелом Гибсоном во время его работы в Институте Дж. Крейга Вентера, требует набора кассет двухцепочечной 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 сборки циклического полимеразы, сборка Гибсона представляет собой одностадийную изотермическую реакцию с большей длиной последовательности; следовательно, он используется вместо сборки циклического полимеразы для геномов размером более 6 т.п.н.

Т5 экзонуклеаза выполняет жевание-обратную реакцию на концевых сегментах, работающей в 5' - 3' направления, в результате чего получают дополнительные выступы. Выступающие части гибридизуются друг с другом, ДНК-полимераза Phusion заполняет все недостающие нуклеотиды, а разрывы закрываются лигазой. Однако количество геномов, которые можно синтезировать с использованием одного только этого метода, ограничено, поскольку по мере увеличения длины кассет ДНК им требуется размножение in vitro для продолжения гибридизации; соответственно, сборка Гибсона часто используется в сочетании с рекомбинацией, связанной с трансформацией (см. ниже), для синтеза геномов размером в несколько сотен килобаз.

Рекомбинация, связанная с трансформацией

Клонирование с устранением разрывов. Синие стрелки представляют контиги ДНК. Сегменты одного цвета представляют собой дополнительные или идентичные последовательности. Специализированные праймеры с удлинениями используются в полимеразной цепной реакции для создания областей гомологии на концевых концах контигов ДНК.

Целью технологии рекомбинации, связанной с трансформацией (TAR) в синтетической геномике, является объединение контигов ДНК посредством гомологичной рекомбинации, выполняемой искусственной хромосомой дрожжей (YAC). Важным является элемент CEN в векторе YAC, который соответствует центромере дрожжей. Эта последовательность дает вектору возможность вести себя хромосомным образом, тем самым позволяя ему выполнять гомологичную рекомбинацию.

Рекомбинация, связанная с трансформацией. События кроссинговера происходят между областями гомологии в кассетах и ​​векторе YAC, тем самым соединяя меньшие последовательности ДНК в один более крупный контиг.

Во-первых, клонирование с репарацией разрывов выполняется для создания областей гомологии, фланкирующих контиги ДНК. Клонирование с восстановлением разрывов - это особая форма полимеразной цепной реакции, в которой используются специализированные праймеры с расширениями, выходящими за пределы последовательности ДНК-мишени. Затем кассеты ДНК подвергаются воздействию вектора YAC, который запускает процесс гомологичной рекомбинации, тем самым соединяя кассеты ДНК. Сборка полимеразного цикла и технология TAR были использованы вместе для создания генома Mycoplasma genitalium размером 600 т.п.н. в 2008 году, первого когда-либо созданного синтетического организма. Аналогичные шаги были предприняты при синтезе более крупного генома Mycoplasma mycoides несколько лет спустя.

Неестественная пара оснований (UBP)

Основная статья: Неестественная пара оснований

Неестественная пара оснований (UBP) - это разработанная субъединица (или нуклеиновое основание ) ДНК, которая создается в лаборатории и не встречается в природе. В 2012 году группа американских ученых во главе с Флойдом Э. Ромесбергом, химическим биологом из Исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовала, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP). Два новых искусственных нуклеотида или пара неестественных оснований (UBP) были названы d5SICS и dNaM. С технической точки зрения, эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные азотистые основания, содержат два слитых ароматических кольца, которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК. В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида, содержащий естественные пары оснований TA и CG, вместе с наиболее эффективной лабораторией UBP, созданной Ромесбергом, и вставили ее в клетки общего бактерия E. coli, которая успешно реплицировала неестественные пары оснований в нескольких поколениях. Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям. Это было частично достигнуто путем добавления поддерживающего гена водорослей, который экспрессирует переносчик нуклеотидтрифосфата, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в бактерии E. coli. Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точной репликации плазмиды, содержащей d5SICS-dNaM.

Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом в достижении цели значительного увеличения числа аминокислот, которые могут кодироваться ДНК, с существующих 20 аминокислот до теоретически возможных 172, тем самым расширяя потенциал живых организмов до производить новые белки. Искусственные нити ДНК пока ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть разработаны для производства новых белков, которые могут иметь промышленное или фармацевтическое применение.

Компьютерная форма

В апреле 2019 года ученые из ETH Zurich сообщили о создании первого в мире бактериального генома под названием Caulobacter ethensis-2.0, полностью созданного компьютером, хотя родственная жизнеспособная форма C. ethensis-2.0 еще не существует.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-29 08:48:30
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте