Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о компании, см. Synthetic Genomics (компания) .
Часть цикла статей о
Синтетическая биология
Синтетические биологические схемы
Редактирование генома
Искусственные клетки
Ксенобиология
Другие темы

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.

Обзор [ править ]

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 [ править ]

Впервые исследователи смогли создать синтетический организм в 2010 году. [1] Этот прорыв был сделан компанией Synthetic Genomics, Inc. , которая продолжает специализироваться на исследованиях и коммерциализации геномов, созданных по индивидуальному заказу. [2] 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. [3]

Технология рекомбинантной ДНК [ править ]

Вскоре после открытия рестрикционных эндонуклеаз и лигаз область генетики начала использовать эти молекулярные инструменты для сборки искусственных последовательностей из более мелких 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. [4] Хотя технология рекомбинантной ДНК чаще используется при создании гибридных белков и плазмид., появилось несколько методов с большей производительностью, позволяющих конструировать целые геномы. [5]

Сборка для циклирования полимеразы [ править ]

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 олиго 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. [6] PCA был использован для создания первого синтетического генома в истории, геномаPhi X 174 вирус . [7]

Метод сборки Гибсона [ править ]

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 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. [8]

Рекомбинация, связанная с трансформацией [ править ]

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. [9]

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. [10] 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. [11] Подобные шаги были предприняты при синтезе более крупных Mycoplasma mycoides.геном несколько лет спустя. [12]

Неестественная пара оснований (UBP) [ править ]

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). [13] 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. [14] [15] В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида, содержащая естественные пары оснований TA и CG, а также наиболее эффективную лабораторию UBP, созданную Ромесбергом. его в клетки обычной бактерии E. coli, которая успешно реплицировала неестественные пары оснований в течение нескольких поколений. [16] Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям. [14] [17] Это было частично достигнуто путем добавления поддерживающего гена водорослей, который экспрессируетпереносчик нуклеотидтрифосфата, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в бактерии E. coli . [14] 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 . [16] Искусственные нити ДНК еще ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть созданы для производства новых белков, которые могут иметь 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 компьютером, хотя родственная жизнеспособная форма C. ethensis-2.0 еще не существует. [19] [20]

См. Также [ править ]

  • Искусственный синтез генов
  • Искусственно расширенная система генетической информации
  • Биороид
  • Генная инженерия
  • ДНК Хатимодзи
  • Синтетический биологический контур
  • Синтетические геномы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хотц, Роберт Ли. «Ученые создают синтетический организм» . Wall Street Journal . ISSN  0099-9660 . Проверено 23 сентября 2015 .
  2. ^ "Synthetic Genomics, Inc. - Наш бизнес" . www.syntheticgenomics.com . Проверено 26 сентября 2015 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  3. ^ Монтегю, Майкл G; Лартиг, Кэрол; Ваши, Санджай (01.01.2012). «Синтетическая геномика: возможности и ограничения». Текущее мнение в области биотехнологии . 23 (5): 659–665. DOI : 10.1016 / j.copbio.2012.01.014 . PMID 22342755 . 
  4. ^ Монтегю, Майкл G; Лартиг, Кэрол; Ваши, Санджай (2012). «Синтетическая геномика: возможности и ограничения». Текущее мнение в области биотехнологии . 23 (5): 659–665. DOI : 10.1016 / j.copbio.2012.01.014 . PMID 22342755 . 
  5. ^ Гибсон, Дэниел (2011). Синтетическая биология, часть B: автоматизированный дизайн и сборка ДНК; Глава пятнадцатая - Ферментативная сборка перекрывающихся фрагментов ДНК . Академическая пресса. С. 349–361. ISBN 978-0-12-385120-8.
  6. ^ Стеммер, Виллем ПК; Крамери, Андреас; Ха, Ким Д .; Бреннан, Томас М .; Хейнекер, Герберт Л. (1995-10-16). «Одностадийная сборка гена и всей плазмиды из большого количества олигодезоксирибонуклеотидов». Джин . 164 (1): 49–53. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (95) 00511-4 . PMID 7590320 . 
  7. ^ Смит, Гамильтон O .; Hutchison, Clyde A .; Пфаннкоч, 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. Bibcode : 2003PNAS..10015440S . DOI : 10.1073 / pnas.2237126100 . ISSN 0027-8424 . PMC 307586 . PMID 14657399 .   
  8. ^ Гибсон, Дэниел G; Янг, Лэй; Чжуан, Рэй-Юань; Вентер, Дж. Крейг; Хатчисон, Клайд А; Смит, Гамильтон О. (2009-04-12). «Ферментативная сборка молекул ДНК до нескольких сотен килобаз». Методы природы . 6 (5): 343–345. DOI : 10.1038 / nmeth.1318 . PMID 19363495 . 
  9. ^ Kouprina, Natalay; Ларионов, Владимир (2003-12-01). «Использование дрожжей Saccharomyces cerevisiae для изучения организации и эволюции сложных геномов» . FEMS Microbiology Reviews . 27 (5): 629–649. DOI : 10.1016 / S0168-6445 (03) 00070-6 . ISSN 1574-6976 . PMID 14638416 .  
  10. ^ Марсищки, Джеральд; ЛаБаер, Джошуа (2004-10-15). «Многие пути ко многим клонам: сравнительный взгляд на высокопроизводительные методы клонирования» . Геномные исследования . 14 (10b): 2020–2028. DOI : 10.1101 / gr.2528804 . ISSN 1088-9051 . PMID 15489321 .  
  11. ^ Гибсон, Дэниел Г .; Benders, Gwynedd A .; Эндрюс-Пфаннкоч, 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 Mycoplasma genitalium» . Наука . 319 (5867): 1215–1220. Bibcode : 2008Sci ... 319.1215G . DOI : 10.1126 / science.1151721 . ISSN 0036-8075 . PMID 18218864 .  
  12. ^ Гибсон, Дэниел Г .; Гласс, Иоанн I .; Лартиг, Кэрол; Носков, Владимир Н .; Чжуан, Рэй-Юань; Algire, Mikkel A .; Benders, Gwynedd A .; Монтегю, Майкл Дж .; Ма, Ли (2010-07-02). «Создание бактериальной клетки, контролируемой химически синтезированным геномом» . Наука . 329 (5987): 52–56. Bibcode : 2010Sci ... 329 ... 52G . DOI : 10.1126 / science.1190719 . ISSN 0036-8075 . PMID 20488990 .  
  13. ^ Малышев, Денис А .; Дхами, Кирандип; Quach, Генри Т .; Лавернь, Томас; Ордуханян, Филипп (24 июля 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, устанавливает функциональный шестибуквенный генетический алфавит» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (30): 12005–12010. Bibcode : 2012PNAS..10912005M . DOI : 10.1073 / pnas.1205176109 . PMC 3409741 . PMID 22773812 .  
  14. ^ a b c Малышев Денис А .; Дхами, Кирандип; Лавернь, Томас; Чен, Тинцзянь; Дай, Нан; Фостер, Джереми М .; Corrêa, Ivan R .; Ромесберг, Флойд Э. (7 мая 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» . Природа . 509 (7500): 385–8. Bibcode : 2014Natur.509..385M . DOI : 10,1038 / природа13314 . PMC 4058825 . PMID 24805238 .  
  15. ↑ Callaway, Ewan (7 мая 2014 г.). «Ученые создают первый живой организм с« искусственной »ДНК» . Новости природы . Huffington Post . Проверено 8 мая 2014 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  16. ^ a b Fikes, Брэдли Дж. (8 мая 2014 г.). «Жизнь с расширенным генетическим кодом» . Сан-Диего Юнион Трибьюн . Проверено 8 мая 2014 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  17. ↑ Образец, Ян (7 мая 2014 г.). «Первые формы жизни, передающие искусственную ДНК, созданную учеными США» . Хранитель . Проверено 8 мая 2014 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  18. ↑ Поллак, Эндрю (7 мая 2014 г.). «Ученые добавляют буквы к алфавиту ДНК, вселяя надежду и страх» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 8 мая 2014 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  19. ^ ETH Zurich (1 апреля 2019 г.). «Первый бактериальный геном, полностью созданный с помощью компьютера» . EurekAlert! . Проверено 2 апреля 2019 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  20. ^ Venetz, Джонатан Э .; и другие. (1 апреля 2019 г.). «Переписывание бактериального генома химическим синтезом для достижения гибкости дизайна и биологической функциональности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (16): 8070–8079. DOI : 10.1073 / pnas.1818259116 . PMC 6475421 . PMID 30936302 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Синтетические геномы: технологии и влияние - исследование 2004 г., проведенное для Министерства энергетики по этому вопросу.
  • Последствия разработок в синтетической геномике: слушания в Комитете по энергетике и торговле, Палата представителей, Сто одиннадцатый Конгресс, вторая сессия, 27 мая 2010 г.