Синтетичка геномика

Синтетичка геномика ― зародишно поле на синтетичката биологија која користи аспекти на генетска модификација на веќе постоечки облици на живот, или вештачка синтеза на гени за да создаде нова ДНК или цели облици на живот.
1 Преглед
Синтетичката геномика е за разлика од генетското инженерство во смисла дека не користи природни гени во нејзините облици на живот. Може да користи прилагодено дизајнирани низи на базни парови, иако во попроширена и моментално неостварена смисла синтетичката геномика може да користи генетски кодови кои не се составени од двата базни пара на ДНК кои моментално се користени од животот.
Развојот на синтетичката геномика е поврзан со одредени неодамнешни технички способности и технологии во областа на генетиката. Способноста да бидат изградени долги синџири на базни парови евтино и прецизно во голем обем им овозможило на истражувачите да вршат опити на геноми кои не постојат во природата. Заедно со развојот на моделите за преклопување на белковини и намалувањето на сметачките трошоци, полето на синтетичката геномика почнува да влегува во продуктивна фаза на виталност.
2 Историја
Истражувачите биле во можност да создадат синтетички организам за прв пат во 2010 година. Овој пробив бил преземен од Synthetic Genomics, Inc., која продолжува да се специјализира во истражување и комерцијализација на сопствени дизајнирани геноми. Тоа било постигнато со синтетизирање на геном од 600 kbp (сличен на оној на ''Mycoplasma genitalium'', освен вметнувањето на неколку водени жигови) преку методот на Гибсоновото склопување и рекомбинација поврзана со преобразба.
3 Технологија на рекомбинантна ДНК
Набргу по откривањето на рестриктивните ендонуклеази и лигази, полето на генетиката започнало да ги користи овие молекуларни алатки за да состави вештачки секвенци од помали фрагменти од синтетичка или природно-настанатна ДНК. Предноста во користењето на рекомбинаторниот пристап за разлика од продолжена синтеза на ДНК произлегува од инверзната врска што постои помеѓу должината на синтетичката ДНК и процентот на чистота на таа синтетичка должина. Со други зборови, како што синтетизирате подолги секвенци, бројот на клонови што содржат грешки се зголемува поради инхерентните стапки на грешки на тековните технологии. Иако технологијата на рекомбинантна ДНК почесто е користена во изградбата на фузиони белковини и плазмиди, се појавиле неколку техники со поголеми капацитети, кои овозможуваат изградба на цели геноми.
3.1 Полимеразно кружно составување
Полимеразното кружно составување користи низа на олигонуклеотиди (или олиго), долги приближно 40 до 60 нуклеотиди, кои заедно ги сочинуваат двете нишки на ДНК што се синтетизира. Овие олиго се дизајнирани така што едно олиго од една влакно содржи должина од приближно 20 нуклеотиди на секој крај што е комплементарно на секвенците од две различни олиго на спротивната нишка, со што се создаваат региони на преклопување. Целиот сет се обработува низ циклуси на: (а) хибридизација на 60 °C; (б) издолжување преку Taq полимераза и стандардна лигаза; и (в) денатурација на 95 °C, образувајќи прогресивно подолги соседни нишки и на крајот резултирајќи со конечниот геном. Полимеразното кружно составување било користено за создавање на првиот синтетички геном во историјата, оној на вирусот Phi X 174.
3.2 Гибсонов метод на составување
Гибсоновиот метод на составување, дизајниран од Дениел Гибсон за време на неговото време во Институтот „Џ. Крег Вентер“, бара збир на двоверижни касети на ДНК кои го сочинуваат целиот геном што се синтетизира. Забележете дека касетите се разликуваат од контигите по дефиниција, со тоа што овие секвенци содржат области на хомологија со други касети за целите на рекомбинација. За разлика од полимеразното кружно составување, Гибсоновото составување е едностепено, изотермална реакција со поголем капацитет за должина на низата; ерго, е користено наместо полимеразно кружно составување за геноми поголеми од 6 kb.
T5 егзонуклеазата врши реакција на обработка на терминалните сегменти, работејќи во насока од 5' до 3', со што се создавани комплементарни настрешници. Настрешниците се хибридизирани едни со други, фузиската полимераза на ДНК ги пополнува сите нуклеотиди кои недостасуваат и примероците се запечатени со лигаза. Сепак, геномите способни да се синтетизираат само со овој метод се ограничени бидејќи како што касетите на ДНК се зголемуваат во должина, тие бараат размножување ин витро за да продолжат да се хибридираат; соодветно, Гибсоновото составување често е користено заедно со рекомбинацијата поврзана со преобразбата (види подолу) за да бидат синтетизирани геноми со големина од неколку стотици килобази.
3.3 Рекомбинација поврзана со преобразба
Целта на технологијата на рекомбинација поврзана со преобразба во синтетичката геномика е да бидат комбинирани контиги на ДНК со помош на хомологна рекомбинација изведена од вештачкиот хромозом на квасец. Од важност е CEN елементот во векторот на вештачкиот хромозом на квасец, кој одговара на центромерот на квасецот. Оваа низа му дава на векторот способност да се однесува на хромозомски начин, со што му дозволува да изврши хомологна рекомбинација.
Прво, се врши клонирање за поправка на јазот за да бидат создадени региони на хомологија што ги опкружуваат контигите на ДНК. Клонирањето со поправка на празнини е посебен облик на полимеразна верижна реакција во која се користат специјализирани прајмери со екстензии надвор од секвенцата на целта на ДНК. Потоа, касетите на ДНК се изложени на векторот на вештачкиот хромозом на квасец, кој ја поттикнува постапката на хомологна рекомбинација, а со тоа ги поврзува касетите на ДНК. Полимеразното кружно составување и технологијата со рекомбинација поврзана со преобразба биле искористени заедно за конструирање на геномот ''Mycoplasma genitalium'' од 600 kb во 2008 година, првиот синтетички организам создаден. Слични чекори биле преземени во синтетизирање на поголемиот ''Mycoplasma mycoides'' геном неколку години подоцна.
4 Неприроден пар на бази
Неприроден базен пар е дизајнирана подединица (или нуклеобаза) на ДНК која е создавана во лабораторија и не се јавува во природата. Во 2012 година, група научници од Соединетите Држави, предводени од Флојд Е. Ромесберг, хемиски биолог од Истражувачкиот институт „Скрипс“ во Сан Диего, Калифорнија, објавиле дека неговите луѓе дизајнирале неприроден пар на бази. Двата нови вештачки нуклеотиди или неприроден базен пар биле именувани како d5SICS и dNaM. Потехнички гледано, овие вештачки нуклеотиди кои носат хидрофобни нуклеобази, имаат два споени ароматични прстени кои образуваат (d5SICS-dNaM) комплекс или базен пар во ДНК. Во 2014 година, истите луѓе од Истражувачкиот институт „Скрипс“, објавиле дека синтетизирале дел од кружна ДНК позната како плазмид што содржи природни базни парови TA и CG, заедно со најдобро изведбената лабораторија на Ромесберговата неприродна база на пар, и ја вметнувале во клетките на вообичаеното бактеријата ''E. coli'' која успешно ги реплицирала неприродните базни парови низ повеќе генерации. Ова е првиот познат пример на жив организам кој поминува низ проширен генетски код до следните генерации. Ова било делумно постигнато со додавање на поддржувачки ген на алги кој изразува транспортер на нуклеотид трифосфат кој ефикасно ги увезува трифосфатите на d5SICSTP и dNaMTP во бактеријата ''E. coli''. Потоа, природните бактериски патишта за репликација ги користат за прецизно реплицирање на плазмидот што содржи d5SICS-dNaM.
Успешното вклучување на трет базен пар е значаен напредок кон целта за значително проширување на бројот на аминокиселини кои можат да бидат кодирани од ДНК, од постоечките 20 аминокиселини до теоретски можни 172, со што се проширува потенцијалот за живите организми до произведуваат нови белковини. Вештачките низи на ДНК сè уште не кодираат ништо, но научниците шпекулираат дека тие би можеле да бидат дизајнирани за производство на нови белковини кои би можеле да имаат индустриска или фармацевтска употреба.
5 Облик направен од сметач
Во април 2019 година, научниците од ЕТХ Цирих известиле за создавањето на првиот бактериски геном во светот, наречен ''Caulobacter ethensis-2.0'', направен целосно од сметач, иако сродниот остварлив облик на ''C. ethensis-2.0'' сè уште не постои.
6 Поврзано
* Синтеза на вештачки гени
* Вештачки проширен генетски информациски систем
* Биороид
* Генетско инженерство
* Осумбуквена ДНК
* Синтетичко биолошко коло
* Синтетички геноми