يصنع الباحثون جينوم E. coli الخاص بهم ، وضغط الكود الجيني

يعد الشفرة الوراثية أساسًا لجميع أشكال الحياة ، مما يسمح بترجمة المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى البروتينات التي تؤدي معظم وظائف الخلية. ومع ذلك ... نوع من الفوضى. تستخدم الحياة عادة مجموعة من حوالي 20 من الأحماض الأمينية ، في حين أن الكود الوراثي يحتوي على 64 مجموعة ممكنة. عدم التطابق هذا يعني أن التكرار متفش ، وقد طور الكثير من الأنواع اختلافات حول ما يمكن أن يكون رمزًا وراثيًا عالميًا.

إذن هل الكود بحد ذاته مهم ، أم أنه حادث تاريخي ، محبوس من قبل الأحداث في الماضي التطوري البعيد؟ لم يكن الرد على هذا السؤال خيارًا حتى وقت قريب ، حيث إن الرموز الفردية تظهر في مئات الآلاف من الأماكن في جينومات الكائنات الحية البسيطة. ولكن مع زيادة قدرتنا على إنتاج الحمض النووي ، أصبح من الممكن تجميع جينومات بأكملها من نقطة الصفر ، مما يسمح بإعادة كتابة الجملة للرمز الوراثي.

الآن ، أعلن الباحثون أنهم أعادوا تكوين جينوم البكتيريا بكتريا قولونية للتخلص من بعض التكرار الكود الجيني. تنمو البكتيريا الناتجة أبطأ إلى حد ما من سلالة طبيعية ولكن كان من الصعب تمييزها عن نظيراتها غير الاصطناعية.

الرموز والتكرار

يتم توضيح الكود الوراثي في ​​مجموعات من ثلاث قواعد للحمض النووي. يمكن لكل موقع من المواضع الثلاثة أن يحتفظ بأي من القواعد الأربعة ، مما يعني وجود توليفات محتملة 4 × 4 × 4 ، أو 64. على النقيض من ذلك ، لا يوجد سوى 20 من الأحماض الأمينية ، بينما يجب استخدام واحد على الأقل من الكودونات المتبقية أخبر الخلية بالتوقف عن ترجمة الشفرة. هذا يترك عدم تطابق 43 رمزًا غير مطلوبة بشدة. تستخدم الخلايا تلك الرموز الإضافية كتكرار ؛ بدلاً من كود توقف واحد ، تستخدم معظم الجينومات ثلاثة. يتم ترميز ثمانية عشر من الأحماض الأمينية العشرين بأكثر من مجموعة من ثلاث قواعد ؛ اثنين لديها ما يصل إلى ستة رموز ممكن.

هل هذا التكرار مفيد؟ الجواب هو "في بعض الأحيان". على سبيل المثال ، تقوم العديد من تسلسل الحمض النووي بواجب مزدوج ، حيث يتم ترميز كل من البروتين والمعلومات التنظيمية التي تتحكم في نشاط الجينات أو تسمح بتكوين هياكل محددة من الحمض النووي الريبي. مرونة التكرار تجعل من السهل على تسلسل واحد خدمة غرضين. يمكن أن يسمح التكرار أيضًا بضبط نشاط الجينات ، حيث يتم ترجمة بعض الأكواد إلى بروتينات أكثر كفاءة من غيرها. تشير هذه العوامل إلى أن تكرار الشفرة الوراثية يمكن أن يتطور ليكون ضروريًا لكائن حي.

ومع ذلك ، فإن اختبار ما إذا كان الأمر كذلك هو بمثابة كابوس. حتى أكثر الجينومات ضغطًا لديها مئات الجينات (بكتريا قولونية السلالات لديها ما بين 4000 و 5500) ، ويمكن أن تحدث كل الرموز الفردية عدة مرات داخل كل منها. من الممكن تحرير كل واحدة من هذه العناصر ولكنها ستستغرق وقتًا كبيرًا.

لذا قام الباحثون ببساطة بإعادة ترميز الأشياء على الكمبيوتر. مع التركيز على واحد من الأحماض الأمينية التي تحتوي على رموز زائدة عن الحاجة ، قاموا بتبديل تسلسلات بحيث تم استبدال أكثر من 18000 استخدام فردي لاثنين من الرموز بخيار زائد. مع تصميم الجينوم الاصطناعي ، كانت مجرد تقسيمه إلى أجزاء يمكن طلبها من مركب الحمض النووي.

هذا أسهل مما يبدو ، وفقًا لأحد الباحثين المشاركين (وقارئ آرس العادي) وولفجانج شميد. وقال لـ "آرس": "من خلال مشروع كهذا ، حيث تسأل أسئلة حول قواعد الكود الوراثي ، عليك الالتزام في وقت ما بطلب ترتيب الجينوم من الحمض النووي التخليقي" ، وهو التزام مالي كبير نوعًا ما وليس التزامًا كبيرًا. زر سهل للضغط ". بعد الضغط عليه فعلوا.

يتطلب بعض التركيب

لسوء الحظ ، هناك فجوة كبيرة بين ما يمكن أن تنتجه آلة تخليق الحمض النووي والجينوم الذي يتعدى عدة ملايين من القواعد. كان على المجموعة القيام بعملية التجميع بأكملها ، معًا تجميع القطع الصغيرة في قطعة كبيرة في خلية واحدة ثم إدخالها في خلية مختلفة تحتوي على شريحة كبيرة متداخلة. وقال شميد "شخصيا ، كانت أكبر مفاجأة لي هي كيف نجحت عملية التجميع". "كان معدل النجاح في كل مرحلة مرتفعًا جدًا ، مما يعني أنه يمكننا القيام بمعظم العمل بتقنيات مقاعد البدلاء القياسية."

خلال هذه العملية ، كان هناك بضع نقاط حيث انتهى الجينوم الاصطناعي بمشاكل - في حالة واحدة على الأقل ، كان هناك تداخل بين جينين أساسيين. لكن الباحثين تمكنوا من تعديل نسختهم للتغلب على المشكلات التي حددوها. كان للجينوم الأخير أيضًا حفنة من الأخطاء التي ظهرت أثناء عملية التجميع ، لكن أياً من هذه التغييرات غير الرموز الثلاثة الأساسية المستهدفة.

في النهاية ، عملت. بدلاً من استخدام 61 من الـ 64 رمزًا المحتمل للأحماض الأمينية ، استخدم Syn61 الجديد الذي يطلق عليه اسم الكائن الحي فقط 59. وتمكن الباحثون بعد ذلك من حذف الجينات التي تسمح عادةً بكتريا قولونية لاستخدام الرموز المعاد توجيهها. عادة ، هذه الجينات ضرورية. في Syn61 ، يمكن حذفها دون مشكلة. هذا لا يعني أن سلالة Syn61 جيدة ؛ نمت ببطء أكثر من أقرانها العاديين. ولكن ربما يكون هذا نتيجة لجميع الحالات الموصوفة سابقًا ، حيث كان تسلسل الحمض النووي يؤدي أكثر من وظيفة واحدة. من الممكن ، مع مرور الوقت ، أن تتطور السلالة إلى معدل نمو طبيعي.

بصرف النظر عن الإجابة على الأسئلة حول البيولوجيا الأساسية ، قد تكون سلالة Syn61 مفيدة في النهاية. هناك الكثير من الأحماض الأمينية الموجودة أكثر من 20 استخدامًا للحياة ، والعديد منها له خواص كيميائية مثيرة للاهتمام. لاستخدامها ، ومع ذلك ، نحن بحاجة إلى رموز جينية احتياطية يمكن إعادة توجيهها إلى الأحماض الأمينية الاصطناعية - على وجه التحديد ما قدمه هذا العمل الجديد.

طبيعة، 2019. DOI: 10.1038 / s41586-019-1192-5 (حول DOIs).

شاهد الفيديو: تقنية كريسبر CRISPR في التعديل الوراثي والجيني (أبريل 2020).