Vsebina
- Genomika in zaporedje DNK
- Opredelitev zaporedja DNK
- DNK zaporedje: zgodnje raziskave
- Sangerjeva največja ambicija je bila zaporedje obsežnih celih genomov, vendar je zaporedje manjših baznih parov bakteriofaga bledilo v primerjavi s sekvenciranjem 3 milijard baznih parov človeškega genoma. Kljub temu je bilo učenje kako sekvencirati celoten genom nizko bakteriofaga velik korak k združevanju celotnega genoma človeškega bitja. Ker DNK in kromosomi sestavljajo milijoni baznih parov, večina metod sekvenciranja loči DNK v majhne niti in nato se segmenti DNK zložijo skupaj; le potreben je čas ali hitri, izpopolnjeni stroji.
- Osnove zaporedja DNK
- Metode sekvenciranja DNK: nevarnejše metode
- Drug vznemirljiv razvoj je bila metoda strelne puške, ki je naključno vzorčila in sekvencirala do 700 baznih parov hkrati. Sanger je znan tudi po uporabi metode dideoxy (dideoxynucleotide), ki med sintezo DNK vstavi verigo-zaključni nukleotid, da označi odseke DNK za analizo. Videoxynukleotidi motijo aktivnost DNK polimeraze in preprečujejo, da bi se nukleotidi razvili na niz DNK.
- Koraki za določanje DNK
- Napredek v tehnologiji sekvenciranja DNK
- Projekt Človeški genom
- Drugi primeri zaporedja DNK
- Etične posledice sekvenciranja DNA
Nukleotidi so kemični gradniki življenja in jih najdemo v DNK živih organizmov. Vsak nukleotid je sestavljen iz sladkor, fosfat in a baza, ki vsebuje dušik: adenin (A), timin (T), citozin (C) in gvanin (G). Specifični vrstni red teh nukleotidnih baz določa, katere proteine, encime in molekule bo celica sintetizirala.
Določitev vrstnega reda ali zaporedja nukleotidov je pomembno za preučevanje mutacij, evolucije, napredovanja bolezni, genetskega testiranja, forenzičnih preiskav in medicine.
Genomika in zaporedje DNK
Genomika je študija DNK, genov, interakcij genov in vplivov okolja na gene. Skrivnost razkritja kompleksnih notranjih del genov je v tem, da lahko prepoznamo njihovo strukturo in lokacijo na kromosomih.
Modrost živih organizmov je določena po vrstnem redu (ali zaporedju) baznih parov nukleinskih kislin v DNK. Ko se DNK posnema, se adenin pari s timinom in citozin z gvaninom; Upoštevajo se neusklajeni pari mutacije.
Ker je bila molekula dvojne vijačne deoksiribonukleinske kisline (DNK) zasnovana leta 1953, so bile narejene dramatične izboljšave na področju genomike in obsežnega zaporedja DNK. Znanstveniki pridno delajo, da bi to novo znanje uporabili pri individualiziranem zdravljenju bolezni.
Hkrati nenehne razprave omogočajo raziskovalcem, da ostajajo pred etičnimi posledicami tako hitro eksplodirajočih tehnologij.
Opredelitev zaporedja DNK
Sekvenciranje DNK je postopek odkritja zaporedja različnih nukleotidnih baz v odrezkih DNK. Celovito gensko sekvenciranje omogoča primerjavo kromosomov in genomov, ki so prisotni pri istih in različnih vrstah.
Kopiranje kromosomov je koristno za znanstvene raziskave. Analiza mehanizmov in strukture genov, alelov in kromosomskih mutacij v molekulah DNA kaže na primer nove načine zdravljenja genetskih motenj in zaustavitev rasti rakavih tumorjev.
DNK zaporedje: zgodnje raziskave
Frederick Sangerjeve metode sekvenciranja DNK močno je napredoval na področju genomike, začenši v sedemdesetih letih. Sanger se je po preučevanju insulina začel uspešno ločevati DNK-jev po uspešnem sekvenciranju RNA. Sanger ni bil prvi znanstvenik, ki se je zapletel v sekvenciranje DNK. Vendar so njegove pametne metode sekvenciranja DNA - razvite v tandemu s kolegoma Bergom in Gilbertom - leta 1980 dobile Nobelovo nagrado.
Sangerjeva največja ambicija je bila zaporedje obsežnih celih genomov, vendar je zaporedje manjših baznih parov bakteriofaga bledilo v primerjavi s sekvenciranjem 3 milijard baznih parov človeškega genoma. Kljub temu je bilo učenje kako sekvencirati celoten genom nizko bakteriofaga velik korak k združevanju celotnega genoma človeškega bitja. Ker DNK in kromosomi sestavljajo milijoni baznih parov, večina metod sekvenciranja loči DNK v majhne niti in nato se segmenti DNK zložijo skupaj; le potreben je čas ali hitri, izpopolnjeni stroji.
Osnove zaporedja DNK
Sanger je poznal potencialno vrednost svojega dela in pogosto sodeloval z drugimi znanstveniki, ki so si delili njegova zanimanja za DNK, molekularno biologijo in življenjske vede.
Čeprav so bile počasne in drage v primerjavi z današnjimi tehnologijami sekvenciranja, so bile Sangerjeve metode sledenja DNK takrat hvale vredne. Po poskusih in napakah je Sanger našel skrivni biokemični "recept" za ločevanje verig DNK, ustvarjanje več DNK in določanje vrstnega reda nukleotidov v genomu.
Visokokakovostne materiale lahko takoj kupite za uporabo v laboratorijskih študijah:
Metode sekvenciranja DNK: nevarnejše metode
Sanger je ugotovil, kako razrezati DNK na majhne segmente z uporabo encima DNK polimeraza.
Nato je iz predloge naredil več DNK in v novo DNK vstavil radioaktivne sledilce, da je razmejil odseke ločenih niti. Prav tako je ugotovil, da encim potrebuje temeljni premaz, ki se lahko veže na določeno mesto na predlogi šablone. Leta 1981 je Sanger znova ustvaril zgodovino, tako da je ugotovil 16.000 baznih parov mitohondrijske DNK.
Drug vznemirljiv razvoj je bila metoda strelne puške, ki je naključno vzorčila in sekvencirala do 700 baznih parov hkrati. Sanger je znan tudi po uporabi metode dideoxy (dideoxynucleotide), ki med sintezo DNK vstavi verigo-zaključni nukleotid, da označi odseke DNK za analizo. Videoxynukleotidi motijo aktivnost DNK polimeraze in preprečujejo, da bi se nukleotidi razvili na niz DNK.
Koraki za določanje DNK
Med postopkom sekvenciranja je treba temperaturo skrbno nastaviti. Najprej se kemikalije dodajo v epruveto in segrejejo, da odkrijejo (denaturirajo) dvojno verigo DNK. Nato se temperatura ohladi, kar omogoča, da se temeljni premaz veže.
Nato se temperatura poviša, da se spodbudi optimalna aktivnost DNK polimeraze (encimov).
Polimeraza običajno uporablja običajne nukleotide, ki so na voljo v dodani koncentraciji.Ko polimeraza pride do nukleotida, ki je povezan z barvilom, se polimeraza ustavi in veriga se tam konča, kar pojasnjuje, zakaj barvani nukleotidi imenujemo "zaključek verige" ali "terminatorji."
Postopek se nadaljuje veliko, velikokrat. Na koncu je nukleotid, povezan z barvilom, postavljen na vsak položaj zaporedja DNK. Gel elektroforeza in računalniški programi lahko nato identificirajo barve barv na vsakem od verig DNK in na podlagi barvila, položaja barvila in dolžine pramenov ugotovimo celotno zaporedje DNK.
Napredek v tehnologiji sekvenciranja DNK
Visokoprepustno zaporedje - na splošno omenjeno kot zaporedje naslednjih generacij - uporablja nove napredke in tehnologije za sekvenciranje nukleotidnih baz hitreje in ceneje kot doslej. Stroj za zaporedje DNK z lahkoto upravlja z velikimi odseki DNK. Pravzaprav je mogoče s celotnimi genomi narediti v nekaj urah, namesto leta, s Sangerjevo tehniko zaporedja.
Metode sekvenciranja naslednje generacije lahko obravnavajo analizo DNK z veliko količino brez dodanega koraka amplifikacije ali kloniranja, da dobijo dovolj DNK za sekvenciranje. Naprave za zaporedje DNK sprožijo več zaporednih reakcij hkrati, kar je cenejše in hitrejše.
Nova tehnologija zaporedja DNK v bistvu vodi na stotine Sangerjevih reakcij na majhnem, lahko berljivem mikročipu, ki se nato zažene skozi računalniški program, ki sestavi zaporedje.
Tehnika bere krajše fragmente DNK, vendar je še vedno hitrejša in učinkovitejša od Sangerjevih načinov zaporedja, tako da je mogoče hitro končati tudi velike projekte.
Projekt Človeški genom
The Projekt človeški genom, končana leta 2003, je ena najbolj znanih študij zaporedja, narejena do danes. Glede na članek iz leta 2018 v Science News, človeški genom sestoji iz približno 46.831 genov, kar je bil velik izziv zaporedju. Vrhunski znanstveniki z vsega sveta so skoraj 10 let sodelovali in svetovali. Vodila nacionalna raziskava človeškega genoma
Inštitut je projekt uspešno preslikal človeški genom s pomočjo sestavljenega vzorca, odvzetega anonimnim krvodajalcem.
Projekt Človeški genom se je za določanje baznih parov opiral na metode sekvenciranja bakterijskih umetnih kromosomov (na osnovi BAC). V tehniki so bakterije klonirale delce DNK, kar je povzročilo velike količine DNK za sekvenciranje. Kloni so bili nato zmanjšani po velikosti, nameščeni v sekvenčni stroj in sestavljeni v raztežaje, ki predstavljajo človeško DNK.
Drugi primeri zaporedja DNK
Nova odkritja v genomiki močno spreminjajo pristope k preprečevanju, odkrivanju in zdravljenju bolezni. Vlada je za raziskave DNK namenila več milijard dolarjev. Za reševanje primerov se organi pregona zanašajo na analizo DNK. Komplete za testiranje DNK lahko kupite za domačo uporabo za raziskovanje rodovniških vrst in prepoznavanje različic genov, ki lahko predstavljajo tveganje za zdravje:
Etične posledice sekvenciranja DNA
Nove tehnologije pogosto prinašajo možnost socialne koristi in škode; primeri vključujejo nepravilno delovanje jedrskih elektrarn in jedrsko orožje za množično uničevanje. Tehnologije DNK predstavljajo tudi tveganje.
Čustveni pomisleki glede sekvenciranja DNK in orodij za urejanje genov, kot je CRISPR, vključujejo strah, da bi tehnologija lahko olajšala kloniranje ljudi ali povzročila mutirane transgene živali, ki jih je ustvaril lopovski znanstvenik.
Pogosteje so etična vprašanja, povezana z zaporedjem DNK, povezana z informiranim soglasjem. Enostaven dostop do DNK neposrednega testiranja potrošnikom pomeni, da potrošniki morda ne bodo popolnoma razumeli, kako se bodo njihove genetske informacije uporabljale, shranjevale in delile. Laiki morda niso čustveno pripravljeni spoznati svoje pomanjkljive genske različice in nevarnosti za zdravje.
Tretje osebe, kot so delodajalci in zavarovalnice, bi lahko diskriminirali posameznike, ki nosijo pokvarjene gene, kar lahko povzroči resne zdravstvene težave.