Generazione dei genoma e codificare le nuove abilità in DNA artificiale

Un nuovo studio da presentare all'associazione americana per l'avanzamento di scienza (AAAS) nel febbraio 2020 riferirà sulla generazione del primo genoma batterico su vasta scala artificialmente creato del mondo facendo uso di un algoritmo di progettazione digitale con la sintesi delle particelle elementari del DNA. Questo genoma prende la forma dal prodotto chimico piuttosto che la sintesi modella modello. La ricerca è pubblicata negli atti del giornale dell'Accademia nazionale delle scienze.

Il battimento battezza, assistente universitario di biologia di sistemi sperimentali ed il Dott. Matthias Christen nel laboratorio di battezzare a ETH Zurigo. Credito di immagine: ETH Zurigo/Agnieszka Wormus
Il battimento battezza, assistente universitario di biologia di sistemi sperimentali ed il Dott. Matthias Christen nel laboratorio di battezzare a ETH Zurigo. Credito di immagine: ETH Zurigo/Agnieszka Wormus

Sintetizzando i genoma chimicamente

Nel campo di biologia sintetica, la genomica sintetica ha catturato recentemente un sedile di fronte. Tuttavia, il genoma del virus polio ed il virus del batteriofago phiX174 sono stati sintetizzati chimicamente, senza un modello complementare del RNA o del DNA, all'inizio di questo secolo.

La rivoluzione digitale ha pregiudicato la biologia al suo livello più fondamentale, cioè, il DNA che ordina, che aiuta i biologi sintetici a leggere e scrivere e perfino alla riscrittura, molecole del DNA per progettare i microrganismi utili per mezzo del computer progetta.

La riuscita creazione dei genoma virali della dimensione moderata piombo alla sintesi dei genoma degli organismi più complessi, quali da alcune specie del micoplasma. Da alcuni kilobasi, la sintesi genomica ha saltato ai megabases, che lo hanno reso molto più facile produrre le migliori strategie per la sintesi chimica di DNA come pure trasportare il genoma. D'altra parte, una singola mutazione non solo ha compitato l'assurdità ma ha impedito l'inizio della trascrizione del DNA.

Sviluppo della versione media magra del genoma

Il gruppo dietro la sintesi più iniziale del genoma del micoplasma poi ha sviluppato una versione minimizzata di una di queste molecole del DNA, compreso soltanto i geni essenziali. Inoltre, un gruppo internazionale di 21 istituzione ora sta sintetizzando il genoma di 16 cromosomi del lievito comune, saccharomyces cerevisiae. Aveva coperto con successo circa 40% del tutto da ora al 2018.

I progettisti hanno messo a fuoco principalmente sull'eliminazione delle sequenze di ripetizione dei geni del tipo di acido nucleici per tRNA, gli introni (sequenze noncoding d'intervento) e i transposons in modo che potessero sostituire più esattamente i geni omologhi fra le specie. Egualmente hanno incorporato i nuovi siti del loxP in cui l'inserzione accurata e controllata dei geni ai siti specifici diventa possibile. Hanno mirato a diminuire la dimensione del genoma per gradi una volta che i cromosomi del lievito completamente fossero sintetizzati. Ciò era necessaria a quel tempo poiché l'editore potente del gene di CRISPR non era ancora disponibile a quel tempo.

Codoni di riscrittura e di ridondanza

È notevole che il codice genetico offre le opportunità per l'organizzazione dei codoni in tutto il genoma a causa della ridondanza, quello è perché i codoni multipli codificano lo stesso amminoacido. Ciò è stata sfruttata per riscrivere i codoni attraverso un intero genoma in virus ed alcuni batteri e lievito. Questa sperimentazione ha portato alla luce la non possibilità di riscrittura del codice facendo uso dei codoni sinonimi in alcuni casi, particolarmente quando era vicino al 5' o a 3' conclusioni delle sequenze che hanno codificato per le proteine.

Più recentemente, i caricatore 35mm del gene, o le unità complete autonome del gene, sono stati riscritti con la sostituzione dei geni nell'intero genoma, via la sintesi di DNA da zero. Eppure corrente, più lavoro resta fare, con molte istanze dove i geni sintetici rimangono con successo non funzionali. Può essere che alcuni segnali per trascrizione o la traduzione siano inclusi alle estremità degli esoni, o che realmente non sappiamo dove un gene comincia in alcuni casi.

Ciò era il motivo per lo studio corrente, che tenta di riscrivere il genoma su vasta scala, facendo uso dei codoni sinonimi, congiuntamente a trovare le cause degli errori nel genoma in un modo sistematico. Il bisogno è per “un approccio largamente applicabile di diagnosi di errore di alto-capacità di lavorazione,„ con cui la riscrittura del genoma intero può essere valutata.

Il progetto

I ricercatori hanno provato a sintetizzare la versione minimizzata o reso essenziale del genoma del crescentus d'acqua dolce -2,0 (C. eth-2.0) di Caulobacter del batterio, di un organismo molto produttivo e rispondente del modello del ciclo cellulare. Il transcriptome di questo batterio, i ribosomi e molte altre misure sono già disponibili come modello dettagliato del genoma.

Lo scopo era di evolvere un approccio senza fronzoli alla tecnica di progettazione-prova-configurazione che contribuirà a produrre un genoma su misura che comprende le funzioni essenziali della cella e poco altrimenti. La base di questo approccio è di sviluppare questo genoma chimicamente in modo che le informazioni nel genoma abbiano potuto essere analizzate per cui ci dicono circa i geni essenziali.

La procedura

Il primo punto era di estrarre le parti del DNA state necessarie dal batterio indigeno e di unirle per formare un genoma digitale, tenendo l'organizzazione e l'orientamento dei geni intatti. Egualmente hanno incluso alcuni geni dell'indicatore, auto-ripiegando le sequenze e una sequenza di vettore di navetta che avrebbe permesso la replica bassa stretta della copia in questo batterio all'origine di replicazione.

Si sono imbattuti in un blocco stradale qui quando hanno trovato che molte delle particelle elementari del DNA non erano disponibili nel commercio a causa dei vincoli sulla sintesi. Poi hanno deciso di verificare la loro teoria che l'uso dei codoni sinonimi lo avrebbe reso più facile sintetizzare la sequenza chimicamente ma ancora tenere le funzioni biologiche immutate. Di conseguenza, hanno creato una progettazione ottimizzata basata su quella più iniziale, con oltre 10.000 cambiamenti nelle basi del DNA e con successo hanno eliminato quasi 5700 vincoli della sintesi.

Egualmente hanno voluto verificare la loro teoria che la sintesi chimica li avrebbe permessi di scoprire quanto il genoma è annotato esattamente e di identificare le funzioni insite. , Quindi, hanno incluso oltre le 100.000 sostituzioni basse all'interno degli esoni. Quindi, hanno sostituito circa 56% di tutti i codoni dai loro sinonimi.

In pratica, la sequenza aminoacidica è rimanere la stessa. Eppure, tutti i altri livelli di regolamento genetico, compreso i fotogrammi di lettura alternativi ed altri comandi nascosti all'interno degli esoni, sono stati diminuiti al minimo indispensabile. Infatti, 77% - 95% di questi elementi sono stati eliminati. Ciò era di permettere l'identificazione dei geni che devono più della sequenza aminoacidica essere specificati per lavorare correttamente, vedendo quale dei geni riscritti rimangono funzionali. I geni non funzionali devono poi essere riparati, finalmente per rendere una cella completamente artificiale con un complemento completo delle funzioni essenziali.

I risultati

Hanno trovato che più di 90% della enzima-codifica i geni hanno conservato la funzionalità. Oltre 432 geni, globale, rimanenti funzionali. Circa 100 geni sono diventato non funzionali, probabilmente dovuto le annotazioni sbagliate o la presenza di comandi genetici sconosciuti, o perché non codificano per proteina affatto. Questo approccio è, quindi, utile da verificare l'accuratezza dell'annotazione di un genoma.

Quattro di questi geni sono stati riparati in un modo mirato a, piombo all'identificazione di un elemento essenziale controcorrente da uno di loro. In alcune di loro, noncoding i comandi all'interno degli esoni, implicanti questi geni scorrettamente era stato annotato più presto.

Le implicazioni

La combinazione di questi risultati indica che mentre gli scienziati ancora non hanno prodotto una cella vivente, hanno provato ed ha trovato l'approccio di promessa ai geni del progettista dei prodotti. Promette una capacità altamente flessibile di progettazione con la lavorazione chimica a basso costo e affidabile. La più grande sfida, come sempre, è non tecnica, ma le emissioni etiche e sociali che possono sorgere se sono abusate di.

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

Written by

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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