**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.

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.

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.

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.

### Полимеразно кружно составување

 Полимеразно кружно составување. Сините стрелки претставуваат олигонуклеотиди од 40 до 60 bp со преклопувачки региони од околу 20 bp. Циклусот се повторува додека не се конструира конечниот геном.
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.

### Гибсонов метод на составување

 Гибсоновиот метод на составување. Сините стрелки претставуваат касети на ДНК, кои можат да бидат со која било големина, на пример, по 6 kb. Портокаловите сегменти претставуваат области со идентични секвенци на ДНК. Оваа постапка може да биде извршена со повеќе почетни касети.
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.

### Рекомбинација поврзана со преобразба

 Клонирање за поправка на празнини. Сините стрелки претставуваат контиги на ДНК. Сегментите со иста боја претставуваат комплементарни или идентични секвенци. Специјализирани прајмери со екстензии се користени во полимеразна верижна реакција за да бидат создадени области на хомологија на крајните краеви на контигите на ДНК.
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.

 Рекомбинација поврзана со преобразба. Вкрстени настани се случуваат помеѓу регионите на хомологија низ касетите и векторот на вештачкиот хромозом на квасец, со што се поврзуваат помалите секвенци на ДНК во еден поголем контиг.
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.

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.

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.

Поврзано
--------

* Синтеза на вештачки гени
* Вештачки проширен генетски информациски систем
* Биороид
* Генетскиот инженеринг
* Хачимоџи-ДНК
* Синтетичко биолошко коло
* Синтетички геноми

Наводи
------

1. ↑  Hotz, Robert Lee. „Scientists Create Synthetic Organism". *Wall Street Journal*. ISSN 0099-9660. Посетено на 7 февруари 2024.
2. ↑  „Synthetic Genomics, Inc. - Our Business". *www.syntheticgenomics.com*. Посетено на 7 февруари 2024.
3. ↑  Montague, Michael G; Lartigue, Carole; Vashee, Sanjay (2012-01-01). „Synthetic genomics: potential and limitations". *Current Opinion in Biotechnology*. **23** (5): 659–665. doi:10.1016/j.copbio.2012.01.014. PMID 22342755.
4. ↑  Montague, Michael G; Lartigue, Carole; Vashee, Sanjay (2012). „Synthetic genomics: potential and limitations". *Current Opinion in Biotechnology*. **23** (5): 659–665. doi:10.1016/j.copbio.2012.01.014. PMID 22342755.
5. ↑  Gibson, Daniel (2011). *Synthetic Biology, Part B: Computer Aided Design and DNA Assembly; Chapter Fifteen - Enzymatic Assembly of Overlapping DNA Fragments*. Academic Press. стр. 349–361. ISBN 978-0-12-385120-8.
6. ↑  Stemmer, Willem P. C.; Crameri, Andreas; Ha, Kim D.; Brennan, Thomas M.; Heyneker, Herbert L. (1995-10-16). „Single-step assembly of a gene and entire plasmid from large numbers of oligodeoxyribonucleotides". *Gene*. **164** (1): 49–53. doi:10.1016/0378-1119(95)00511-4. PMID 7590320.
7. ↑  Smith, Hamilton O.; Hutchison, Clyde A.; Pfannkoch, Cynthia; Venter, J. Craig (2003-12-23). „Generating a synthetic genome by whole genome assembly: φX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides". *Proceedings of the National Academy of Sciences*. **100** (26): 15440–15445. Bibcode:2003PNAS..10015440S. doi:10.1073/pnas.2237126100. ISSN 0027-8424. PMC 307586. PMID 14657399.
8. ↑  Gibson, Daniel G; Young, Lei; Chuang, Ray-Yuan; Venter, J Craig; Hutchison, Clyde A; Smith, Hamilton O (2009-04-12). „Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases". *Nature Methods*. **6** (5): 343–345. doi:10.1038/nmeth.1318. PMID 19363495.
9. ↑  Kouprina, Natalay; Larionov, Vladimir (2003-12-01). „Exploiting the yeast Saccharomyces cerevisiae for the study of the organization and evolution of complex genomes". *FEMS Microbiology Reviews*. **27** (5): 629–649. doi:10.1016/S0168-6445(03)00070-6. ISSN 1574-6976. PMID 14638416.
10. ↑  Marsischky, Gerald; LaBaer, Joshua (2004-10-15). „Many Paths to Many Clones: A Comparative Look at High-Throughput Cloning Methods". *Genome Research*. **14** (10b): 2020–2028. doi:10.1101/gr.2528804. ISSN 1088-9051. PMID 15489321.
11. ↑  Gibson, Daniel G.; Benders, Gwynedd A.; Andrews-Pfannkoch, Cynthia; Denisova, Evgeniya A.; Baden-Tillson, Holly; Zaveri, Jayshree; Stockwell, Timothy B.; Brownley, Anushka; Thomas, David W. (2008-02-29). „Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome". *Science*. **319** (5867): 1215–1220. Bibcode:2008Sci...319.1215G. doi:10.1126/science.1151721. ISSN 0036-8075. PMID 18218864.
12. ↑  Gibson, Daniel G.; Glass, John I.; Lartigue, Carole; Noskov, Vladimir N.; Chuang, Ray-Yuan; Algire, Mikkel A.; Benders, Gwynedd A.; Montague, Michael G.; Ma, Li (2010-07-02). „Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome". *Science*. **329** (5987): 52–56. Bibcode:2010Sci...329...52G. doi:10.1126/science.1190719. ISSN 0036-8075. PMID 20488990.
13. ↑  Malyshev, Denis A.; Dhami, Kirandeep; Quach, Henry T.; Lavergne, Thomas; Ordoukhanian, Phillip (24 јули 2012). „Efficient and sequence-independent replication of DNA containing a third base pair establishes a functional six-letter genetic alphabet". *Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America*. **109** (30): 12005–12010. Bibcode:2012PNAS..10912005M. doi:10.1073/pnas.1205176109. PMC 3409741. PMID 22773812.
14. 1 2 3  Malyshev, Denis A.; Dhami, Kirandeep; Lavergne, Thomas; Chen, Tingjian; Dai, Nan; Foster, Jeremy M.; Corrêa, Ivan R.; Romesberg, Floyd E. (7 мај 2014). „A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet". *Nature*. **509** (7500): 385–8. Bibcode:2014Natur.509..385M. doi:10.1038/nature13314. PMC 4058825. PMID 24805238.
15. ↑  Callaway, Ewan (7 мај 2014). „Scientists Create First Living Organism With 'Artificial' DNA". *Nature News*. Huffington Post. Посетено на 8 May 2014.
16. 1 2  Fikes, Bradley J. (8 мај 2014). „Life engineered with expanded genetic code". *San Diego Union Tribune*. Посетено на 7 февруари 2024.
17. ↑  Sample, Ian (7 мај 2014). „First life forms to pass on artificial DNA engineered by US scientists". *The Guardian*. Посетено на 7 февруари 2024.
18. ↑  Pollack, Andrew (7 мај 2014). „Scientists Add Letters to DNA's Alphabet, Raising Hope and Fear". *New York Times*. Посетено на 7 февруари 2024.
19. ↑  ETH Zurich (1 април 2019). „First bacterial genome created entirely with a computer". *EurekAlert!*. Посетено на 7 февруари 2024.
20. ↑  Venetz, Jonathan E.; и др. (1 април 2019). „Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality". *Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America*. **116** (16): 8070–8079. doi:10.1073/pnas.1818259116. PMC 6475421. PMID 30936302.

Надворешни врски
----------------

* Синтетички геноми: технологии и влијание - Студија од 2004 година завршена за DOE на оваа тема.
* Ефекти од развојот во синтетичката геномика: сослушување пред Комитетот за енергија и трговија, Претставнички дом, Сто единаесетти конгрес, втора сесија, 27 мај 2010 година