Produire des génomes et codage des capacités neuves dans l'ADN artificiel

Une étude neuve à présenter à l'association américaine pour l'avancement de la Science (AAAS) en février 2020 indiquera sur le rétablissement du premier génome bactérien à grande échelle artificiellement produit du monde utilisant un algorithme de modèle digital avec la synthèse des synthons d'ADN. Ce génome prend la forme par le produit chimique plutôt que la synthèse matrice matrice. La recherche est publiée dans les démarches de tourillon de l'académie nationale des sciences.

Battement Christen, professeur adjoint de biologie de systèmes expérimentaux et M. Matthias Christen dans le laboratoire de Christen à ETH Zurich. Crédit d
Battement Christen, professeur adjoint de biologie de systèmes expérimentaux et M. Matthias Christen dans le laboratoire de Christen à ETH Zurich. Crédit d'image : ETH Zurich/Agnieszka Wormus

Synthétisant des génomes chimiquement

Dans le domaine de la biologie synthétique, la génomique synthétique a pris un siège avant récent. Cependant, le génome du virus de la polio et le virus du bactériophage phiX174 ont été synthétisés chimiquement, sans ADN complémentaire ou matrice d'ARN, au début de ce siècle.

La révolution numérique a affecté la biologie à son niveau plus principal, c.-à-d., l'ADN ordonnançant, que les biologistes synthétiques d'aides à afficher et écrire, et même à la réécriture, des molécules d'ADN pour concevoir les micros-organismes utiles à l'aide de l'ordinateur conçoivent.

La création couronnée de succès des génomes viraux de la taille modérée a mené à la synthèse des génomes des organismes plus complexes, comme à partir de quelques espèces de mycoplasme. De quelques kilobases, la synthèse génomique a sauté aux megabases, qui l'ont facilité beaucoup pour produire de meilleures stratégies pour la synthèse chimique de l'ADN ainsi que pour transporter le génome. D'autre part, une mutation unique a non seulement orthographié le contrôle par totalisation mais a évité l'amorçage de la transcription d'ADN.

Établir une moyenne version pauvre de génome

L'équipe derrière la synthèse plus tôt de génome de mycoplasme a alors établi une version réduite à un minimum d'une de ces molécules d'ADN, incluant seulement les gènes essentiels. D'ailleurs, un groupe international de 21 institutions synthétise maintenant le génome de 16 chromosomes de la levure courante, saccharomyces cerevisiae. Elle avait avec succès couvert environ 40% du tout d'ici 2018.

Les créateurs se sont concentrés principalement sur éliminer des séquences de répétition des gènes comme un acide nucléiques pour l'ARNt, les introns (séquences noncoding intervenantes), et les transposons de sorte qu'ils aient pu remonter les gènes homologues entre les substances plus exactement. Ils ont également comporté les sites neufs de loxP où la mise en place précise et réglée des gènes aux sites spécifiques devient possible. Ils ont visé à réduire la taille du génome point par point une fois que les chromosomes de levure étaient complet synthétisés. C'était nécessaire à ce moment-là puisque l'éditeur puissant de gène de CRISPR n'était pas encore procurable à ce moment-là.

Codons de suppression d'emploi et de réécriture

Il est remarquable que code génétique procure des occasions à concevoir des codons dans tout le génome à cause de la suppression d'emploi, cela est parce que les codons multiples codent le même acide aminé. Ceci a été exploité pour récrire des codons en travers d'un génome entier dans les virus et quelques bactéries et la levure. Cette expérimentation a mis en évidence la non-faisabilité de récrire l'indicatif utilisant des codons synonymes parfois, particulièrement quand elle était près du 5' ou de 3' des fins des séquences qui ont codé pour des protéines.

Plus récent, des magasins de gène, ou les éléments complets indépendants de gène, ont été récrits en tandem avec le remontage des gènes dans le génome entier, par l'intermédiaire de la synthèse de l'ADN à partir de zéro. Pourtant actuel, plus de travail reste à effectuer, avec beaucoup de cas où les gènes avec succès synthétisés restent non fonctionnels. Il se peut que quelques signes pour la transcription ou la traduction soient inclus aux extrémités des exons, ou que nous ne savons pas réellement où un gène commence dans certains cas.

C'était le motif pour l'étude actuelle, qui essaye de récrire le génome à grande échelle, utilisant des codons synonymes, en combination avec trouver les causes des erreurs dans le génome d'une façon systématique. Le besoin est pour « une approche grand applicable de diagnostic d'erreur de haut-débit, » par lequel la réécriture du génome entier peut être évaluée.

Le projet

Les chercheurs ont essayé de synthétiser la version réduite à un minimum ou épurée du génome du crescentus d'eau douce -2,0 (C. eth-2.0) de Caulobacter de bactérie, d'un organisme très productif et sensible de modèle de cycle cellulaire. Le transcriptome de cette bactérie, les ribosomes, et beaucoup d'autres mesures sont déjà procurables comme modèle détaillé de génome.

L'objectif était d'évoluer une technique sans fioritures de modèle-test-construction d'approche qui aidera à produire un génome personnalisé qui comporte les rôles essentiels de la cellule et peu autrement. La base de cette approche est d'établir ce génome chimiquement de sorte que l'information dans le génome ait pu s'analyser pour ce qu'elle nous indique au sujet des gènes essentiels.

La procédure

La première étape était d'extraire les pièces d'ADN requises de la bactérie indigène et de les joindre pour former un génome digital, maintenant l'organisme et l'orientation des gènes intacts. Ils ont également compris quelques gènes de borne, auto-reproduisant des séquences, et une séquence de vecteur navette qui permettrait la réplication inférieure serrée de copie dans cette bactérie à l'origine de la réplication.

Ils ont fait fonctionner dans un barrage de route ici quand ils ont constaté que plusieurs des synthons d'ADN n'étaient pas disponibles dans le commerce à cause des contraintes sur la synthèse. Ils ont alors décidé de vérifier leur théorie que l'utilisation des codons synonymes le faciliterait pour synthétiser la séquence chimiquement mais pour maintenir toujours les rôles biologiques sans modification. En conséquence, ils ont produit un modèle optimisé basé sur le plus tôt, avec plus de 10.000 changements des bases d'ADN, et ont avec succès enlevé presque 5700 contraintes de synthèse.

Ils ont également voulu vérifier leur théorie que la synthèse chimique leur permettrait de découvrir comment exactement le génome est annoté et de recenser des fonctionnements incorporés. Ils ont inclus, pour cette raison, plus de 100.000 remplacements de base dans les exons. Ainsi, ils ont remplacé environ 56% de tous les codons par leurs synonymes.

Essentiellement, la séquence des acides aminés est demeurée la même. Toujours, toutes autres couches de règlement génétique, y compris les cadres de lecture alternatifs et d'autres contrôles cachés dans les exons, étaient réduites au strict minimum. En fait, de 77% à 95% de ces éléments ont été retirés. C'était de permettre l'identification des gènes qui ont besoin de plus que la séquence des acides aminés pour être spécifiés pour fonctionner correctement, en voyant lesquels des gènes récrits restent fonctionnels. Les gènes non fonctionnels doivent alors être réparés, pour fournir éventuellement une cellule complet artificielle avec un armement complet des rôles essentiels.

Les résultats

Ils ont constaté que plus de 90% du l'enzyme-codage les gènes ont maintenu la fonctionnalité. Plus de 432 gènes, général, restés fonctionnels. Environ 100 gènes sont devenus non fonctionnels, probablement dus aux annotations incorrectes ou à la présence des contrôles génétiques inconnus, ou parce qu'ils ne codent pas pour la protéine du tout. Cette approche est, pour cette raison, utile pour vérifier l'exactitude de l'annotation d'un génome.

Quatre de ces gènes ont été réparés d'une façon visée, menant à l'identification d'un élément essentiel d'amont de l'un d'entre eux. Dans certains d'entre eux, là noncoding des contrôles dans les exons, impliquant ces gènes avait été incorrectement annoté plus tôt.

Les implications

La combinaison de ces découvertes prouve qu'alors que les scientifiques n'ont pas encore produit une cellule vivante, ils ont vérifié et a trouvé l'approche de promesse pour produire des gènes de créateur. Elle promet une capacité hautement flexible de modèle avec le petit prix, fabrication chimique fiable. Le défi important, comme toujours, n'est pas technique, mais l'éthique et les affaires de la société qui peuvent surgir s'ils sont maltraités.

Journal reference:

Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality Jonathan E. Venetz, Luca Del Medico, Alexander Wölfle, Philipp Schächle, Yves Bucher, Donat Appert, Flavia Tschan, Carlos E. Flores-Tinoco, Mariëlle van Kooten, Rym Guennoun, Samuel Deutsch, Matthias Christen, Beat Christen Proceedings of the National Academy of Sciences Apr 2019, 116 (16) 8070-8079; DOI: 10.1073/pnas.1818259116

Dr. Liji Thomas

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Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas is an OB-GYN, who graduated from the Government Medical College, University of Calicut, Kerala, in 2001. Liji practiced as a full-time consultant in obstetrics/gynecology in a private hospital for a few years following her graduation. She has counseled hundreds of patients facing issues from pregnancy-related problems and infertility, and has been in charge of over 2,000 deliveries, striving always to achieve a normal delivery rather than operative.

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