Prepisovanie genetického kódu Rodí najväčší umelý genóm, aký sa kedy v laboratóriu vytvoril
Správa potrebná na vybudovanie organizmu je v sekvencii častí, ktoré tvoria DNA. S Projekt ľudského genómu táto kódovaná správa bola dešifrovaná v 3 miliardách párov báz. Čítanie DNA však bolo iba prvým krokom. Genóm možno prepísať aj úplne od začiatku.
Tím vedcov z University of Cambridge pod vedením doktora Jasona China prepísal v laboratóriu DNA druhu E. coli. Je to najväčší umelý genóm, aký bol kedy vyrobený, pozostávajúci zo 4 miliónov párov báz, štyrikrát väčší ako ostatné doteraz modifikované organizmy. Vytlačenie celej sekvencie by trvalo 970 strán. Genetický kód baktérie je založený na 61 kodónoch a nie na 64, ako sa to deje v živom svete.
Volá sa nové telo Syn61 a je dlhšia ako prírodná baktéria, rastie pomalšie, ale je prvým životaschopným organizmom s najpravdepodobnejšími genomickými zmenami. Jeho bunky produkujú rovnaké proteíny, ale používajú odlišný genetický kód. Údaje zo štúdie boli publikované v Nature.
Zdroj fotografií - University of Cambridge
Aplikácie vývoja organizmov so syntetickými genómami by boli nespočetné, od získania baktérií odolných voči vírusovým infekciám, až po vytváranie mikroorganizmov, ktoré umožňujú absorpciu oxidu uhličitého z atmosféry alebo výrobu vakcín. Tím z Cambridge v súčasnosti pracuje na stanovení minimálneho počtu génov potrebných na podporu života.
Ako funguje genetický kód?
Molekula DNA je založená na nukleotidoch. Existujú 4 typy nukleotidov v závislosti od dusíkatej bázy, ktorú obsahujú - adenín, tymín, guanín a cytozín. Genetický kód je súbor pravidiel, ktoré ukazujú, ako musí táto štvorpísmenová molekulárna „abeceda“ produkovať 20 prírodných aminokyselín, ktoré vstupujú do štruktúry bielkovín.
Písmená abecedy majú zmysel, keď tvoria slová, a tieto vety tvoria vety. Rovnako tak sa podľa konkrétnych pravidiel čítajú 4 písmená ľudského genómu, aby sa získal zmysel a vybudoval funkčný organizmus.
Francis Crick, jeden z objaviteľov štruktúry DNA, najskôr navrhol koncept CODON na definovanie nukleotidovej sekvencie, ktorá diktuje konštrukciu aminokyseliny. Tri po sebe nasledujúce nukleotidy predstavujú kodón.
Zdroj fotografií - University of Utah
Genetický kód je univerzálny, takmer všetky organizmy v živom svete používajú 64 kodónov. Z nich 61 kodónov kóduje 20 prírodných aminokyselín. Úlohou ďalších 3 kodónov je zastaviť čítanie správy, čo znamená zastavenie syntézy proteínov. Preto sa o tom diskutuje nadbytok na úrovni genetického kódu. Existuje viac kodónov ako aminokyselín. Aminokyselinu je možné určiť pomocou niekoľkých kodónov. Napríklad TTA, TTG, CTT, CTC, CTA, CTG sú kodóny, ktoré špecifikujú aminokyselinu leucín.
Inverzný vzťah je neplatný. Kodón špecifikuje jednu aminokyselinu. Ďalším dôležitým prvkom je navyše to V genetickom kóde nie sú žiadne prekrytia. Tri nukleotidy, ktoré tvoria kodón, nemôžu byť súčasťou susedných kodónov.
Niektoré kodóny sú spojené s rýchlejším procesom translácie v ribozómoch, zatiaľ čo iné sa prekladajú pomalšie. Kodóny sa teda spracúvajú odlišne a môžu ovplyvniť zostavenie proteínu.
Táto nadbytočnosť nie je náhodná a je za určitých okolností užitočná. Niektoré sekvencie DNA kódujú gén aj dôležité informácie pre reguláciu génov, takže sa objavujú špecifické štruktúry RNA s dobre definovanou úlohou. Činnosť rias je tak oveľa lepšie regulovaná. Niektoré správy sú dekódované, čo vedie k výskytu určitých proteínov ľahšie ako iné.
Cieľom cambridgeského tímu bolo eliminovať nadbytočné kodóny, aby sa dodržal minimálny súbor génov potrebných pre fungovanie organizmu.
Ako sa to získalo umelý genóm Syn61?
Výskum sa uskutočnil v laboratóriu molekulárnej biológie Medical Research Councils (MRC) a bolo rozhodnuté o sekvenovaní a modifikácii genómu baktérie E. Coli kvôli jej schopnosti prežiť s použitím malého počtu génov.
Vo viac ako 18 000 lokalitách bolo urobených niekoľko zmien v kľúčových kodónoch:
- Každý kodón TCG bol nahradený AGC, každý kodón TCA bol nahradený AGT
- Stop kondóm TAG bol nahradený TAA
Akonáhle bola stanovená sekvencia umelého genómu, bol do buniek zavedený nový genetický kód. Genom bol rozdrobený na menšie komponenty a postupne sa zavádzali nové kúsky.
Určité synonymné kodóny spôsobujú produkciu rôznych proteínov a niektoré vlastnosti môžu viesť k neschopnosti bunky prežiť.
„Existuje mnoho spôsobov, ako môžete prekódovať genóm, ale často sú problematické. Bunky odumierajú. “- Dr. Chin.
Na základe algoritmu navrhnutého Dr. Chinom prežila baktéria E. coli iba s použitím 59 kodónov, ktoré špecifikujú všetkých 20 aminokyselín a dva stop kodóny namiesto troch.
Produkcia molekúl syntetickej DNA v laboratóriu bola predtým popísaná u druhov kvasiniek a baktérie Mycoplasma mycoides, ale genóm týchto organizmov má až 1 milión párov báz. Genóm E. coli má 4 milióny párov báz.
Prvý organizmus s plne syntetickým genómom, druh Mycoplasma mycoides, bol vyrobený v roku 2010 v inštitúte Craiga Ventera. Projekt trval viac ako 15 rokov a genóm baktérie bol oveľa menší ako genóm E. coli.
V roku 2016 bol zahájený ďalší ambiciózny projekt „Projekt genómu - napíšte“, otvára novú etapu v genomike. Prepísanie genetickej správy v laboratóriu by mohlo viesť k neobmedzenému použitiu v medicíne a biológii, napríklad k vytváraniu buniek, ktoré nemôžu byť infikované vírusmi, alebo k zavedeniu funkcií, ktoré bunkám umožňujú odolávať rakovinovej transformácii.
Skutočnou výzvou v porozumení ľudského genómu nebolo objavenie sekvencií, ktoré ho tvoria, ale to, ako je možné tieto informácie využiť. Prvým dôležitým pozorovaním bolo, že v skutočnosti iba 1-2% ľudského genómu kódujú funkčné produkty a tvoria exóm, čo demonštruje zložitosť organizácie genetického materiálu.
Ďalším kľúčovým bodom je identifikácia minimálneho počtu génov, ktoré môžu udržať život. Rovnako tak aj rozšírenie genetickej „abecedy“, o ktorej sa už zistilo, že je možné. V roku 2018 odborníci z Výskumného ústavu Scripps uviedli bezprecedentné výsledky, pričom na získanie funkčných proteínov sa okrem 4 základných okrem ďalších 4 základných použili aj ďalšie dva typy nukleotidov, X a Y. Vytvorili prvý polosyntetický organizmus, ktorý dokáže skladovať oveľa väčšie množstvo genetického materiálu.