Zawartość
- Genomika i sekwencjonowanie DNA
- Definicja sekwencjonowania DNA
- Sekwencjonowanie DNA: wczesne badania
- Największą ambicją Sangera było sekwencjonowanie całych genomów na dużą skalę, ale sekwencjonowanie niewielkich par zasad bakteriofaga blednęło w porównaniu z sekwencjonowaniem 3 miliardów par ludzkiego genomu. Niemniej jednak nauka sekwencjonowania całego genomu niskiego bakteriofaga była ważnym krokiem w kierunku złożenia całego genomu ludzi, ponieważ DNA i chromosomy składają się z milionów par zasad, większość metod sekwencjonowania dzieli DNA na małe nici, a następnie segmenty DNA są składane razem; potrzeba tylko czasu lub szybkich, wyrafinowanych maszyn.
- Podstawy sekwencjonowania DNA
- Metody sekwencjonowania DNA: metody Sangera
- Kolejnym ekscytującym osiągnięciem była metoda strzelby, która losowo pobierała próbki i sekwencjonowała do 700 par zasad jednocześnie. Sanger jest również znany ze swojej metody dideoksy (dideoksynukleotydu), która wstawia nukleotyd kończący łańcuch podczas syntezy DNA, aby oznaczyć sekcje DNA do analizy. Videooksynukleotydy zakłócają aktywność polimerazy DNA i zapobiegają tworzeniu się nukleotydów na łańcuch DNA.
- Etapy sekwencjonowania DNA
- Postępy w technologii sekwencjonowania DNA
- Projekt Ludzki genom
- Inne przykłady sekwencjonowania DNA
- Etyczne konsekwencje sekwencjonowania DNA
Nukleotydy są chemicznymi budulcami życia i znajdują się w DNA żywych organizmów. Każdy nukleotyd składa się z cukier, fosforan i a zasada zawierająca azot: adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) i guanina (G). Konkretna kolejność tych zasad nukleotydowych określa, które białka, enzymy i cząsteczki będą syntetyzowane przez komórkę.
Określenie kolejności lub sekwencji nukleotydów jest ważne dla badania mutacji, ewolucji, postępu choroby, testów genetycznych, badań kryminalistycznych i medycyny.
Genomika i sekwencjonowanie DNA
Genomika to badanie DNA, genów, interakcji genów i wpływu środowiska na geny. Sekretem wyjaśnienia skomplikowanych mechanizmów działania genów jest możliwość zidentyfikowania ich struktury i lokalizacji na chromosomach.
Błękit żywych organizmów jest określony przez kolejność (lub sekwencję) par zasad kwasów nukleinowych w DNA. Kiedy DNA się replikuje, adenina łączy się z tyminą, a cytozyna z guaniną; niedopasowane pary są brane pod uwagę mutacje.
Od czasu konceptualizacji cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego podwójnej helisy (DNA) w 1953 r. Dokonano radykalnej poprawy w dziedzinie genomiki i sekwencjonowania DNA na dużą skalę. Naukowcy pilnie pracują nad zastosowaniem tej nowej wiedzy do zindywidualizowanego leczenia chorób.
Jednocześnie trwające dyskusje pozwalają badaczom wyprzedzać etyczne konsekwencje tak szybko rozwijających się technologii.
Definicja sekwencjonowania DNA
Sekwencjonowanie DNA to proces odkrywania sekwencji różnych zasad nukleotydowych we fragmentach DNA. Sekwencjonowanie całego genu pozwala na porównanie chromosomów i genomów obecnych u tego samego i różnych gatunków.
Mapowanie chromosomów jest przydatne w badaniach naukowych. Analiza mechanizmów i struktury genów, alleli i mutacji chromosomowych w cząsteczkach DNA sugeruje na przykład nowe sposoby leczenia zaburzeń genetycznych i zatrzymywania wzrostu nowotworu nowotworowego.
Sekwencjonowanie DNA: wczesne badania
Metody sekwencjonowania DNA Fredericka Sangera znacznie rozwinął dziedzinę genomiki od lat siedemdziesiątych. Sanger czuł się gotowy do walki z sekwencjonowaniem DNA po udanym sekwencjonowaniu RNA podczas badania insuliny. Sanger nie był pierwszym naukowcem zajmującym się sekwencjonowaniem DNA. Jednak jego sprytne metody sekwencjonowania DNA - opracowane wspólnie z kolegami Bergem i Gilbertem - zdobyły Nagrodę Nobla w 1980 roku.
Największą ambicją Sangera było sekwencjonowanie całych genomów na dużą skalę, ale sekwencjonowanie niewielkich par zasad bakteriofaga blednęło w porównaniu z sekwencjonowaniem 3 miliardów par ludzkiego genomu. Niemniej jednak nauka sekwencjonowania całego genomu niskiego bakteriofaga była ważnym krokiem w kierunku złożenia całego genomu ludzi, ponieważ DNA i chromosomy składają się z milionów par zasad, większość metod sekwencjonowania dzieli DNA na małe nici, a następnie segmenty DNA są składane razem; potrzeba tylko czasu lub szybkich, wyrafinowanych maszyn.
Podstawy sekwencjonowania DNA
Sanger znał potencjalną wartość swojej pracy i często współpracował z innymi naukowcami, którzy podzielali jego zainteresowania DNA, biologią molekularną i naukami przyrodniczymi.
Mimo że metody sekwencjonowania DNA Sanger były powolne i kosztowne w porównaniu z dzisiejszymi technologiami sekwencjonowania, były w tym czasie chwalone. Po próbach i błędach Sanger znalazł tajny biochemiczny „przepis” na rozdzielanie nici DNA, tworzenie większej ilości DNA i identyfikowanie kolejności nukleotydów w genomie.
Materiały wysokiej jakości można łatwo kupić do użytku w badaniach laboratoryjnych:
Metody sekwencjonowania DNA: metody Sangera
Sanger wymyślił, jak pokroić DNA na małe segmenty za pomocą enzymu polimerazy DNA.
Następnie zrobił więcej DNA z szablonu i wstawił radioaktywne znaczniki do nowego DNA, aby wyznaczyć odcinki oddzielonych nici. Uznał również, że enzym potrzebuje startera, który mógłby się wiązać z konkretnym miejscem na nici matrycy. W 1981 roku Sanger ponownie przeszedł do historii, odkrywając genom 16 000 par zasad mitochondrialnego DNA.
Kolejnym ekscytującym osiągnięciem była metoda strzelby, która losowo pobierała próbki i sekwencjonowała do 700 par zasad jednocześnie. Sanger jest również znany ze swojej metody dideoksy (dideoksynukleotydu), która wstawia nukleotyd kończący łańcuch podczas syntezy DNA, aby oznaczyć sekcje DNA do analizy. Videooksynukleotydy zakłócają aktywność polimerazy DNA i zapobiegają tworzeniu się nukleotydów na łańcuch DNA.
Etapy sekwencjonowania DNA
Temperaturę należy ostrożnie regulować podczas całego procesu sekwencjonowania. Najpierw do probówki dodaje się chemikalia i ogrzewa w celu odkrycia (denaturacji) dwuniciowej cząsteczki DNA. Następnie temperatura jest chłodzona, co pozwala na związanie podkładu.
Następnie podnosi się temperaturę, aby zachęcić do optymalnej aktywności polimerazy DNA (enzymu).
Polimeraza zazwyczaj wykorzystuje dostępne normalne nukleotydy, które dodaje się w wyższym stężeniu.Kiedy polimeraza dojdzie do „nukleotydu barwnikowego„ kończącego łańcuch ”, polimeraza zatrzymuje się, a łańcuch się tam kończy, co wyjaśnia, dlaczego barwione nukleotydy nazywane są„ zakończeniem łańcucha ”lub„ terminatorami ”.
Proces ten trwa wiele, wiele razy. Ostatecznie nukleotyd związany z barwnikiem został umieszczony w każdej pozycji sekwencji DNA. Elektroforeza żelowa i programy komputerowe mogą następnie zidentyfikować kolory barwnika na każdej z nici DNA i obliczyć całą sekwencję DNA na podstawie barwnika, pozycji barwnika i długości nici.
Postępy w technologii sekwencjonowania DNA
Sekwencjonowanie o dużej przepustowości - ogólnie określane jako sekwencjonowanie nowej generacji - wykorzystuje nowe osiągnięcia i technologie do sekwencjonowania zasad nukleotydowych szybciej i taniej niż kiedykolwiek wcześniej. Maszyna do sekwencjonowania DNA może z łatwością obsługiwać duże odcinki DNA. W rzeczywistości całe genomy można wykonać w ciągu kilku godzin zamiast lat za pomocą technik sekwencjonowania Sanger.
Metody sekwencjonowania nowej generacji mogą obsługiwać analizę DNA o dużej objętości bez dodatkowego etapu amplifikacji lub klonowania, aby uzyskać wystarczającą ilość DNA do sekwencjonowania. Maszyny do sekwencjonowania DNA przeprowadzają wiele reakcji sekwencjonowania jednocześnie, co jest tańsze i szybsze.
Zasadniczo nowa technologia sekwencjonowania DNA uruchamia setki reakcji Sangera na małym, czytelnym mikroczipie, który jest następnie uruchamiany przez program komputerowy, który składa sekwencję.
Technika odczytuje krótsze fragmenty DNA, ale nadal jest szybsza i bardziej wydajna niż metody sekwencjonowania Sangera, więc nawet duże projekty mogą być szybko ukończone.
Projekt Ludzki genom
The Projekt genomu człowieka, ukończony w 2003 r., jest jednym z najbardziej znanych badań sekwencjonowania wykonanych do tej pory. Według artykułu z 2018 r. W Wiadomości naukowe, ludzki genom składa się z około 46 831 genów, co stanowiło ogromne wyzwanie dla sekwencji. Czołowi naukowcy z całego świata spędzili prawie 10 lat na współpracy i konsultacjach. Kierowany przez National Human Genome Research
Institute, w ramach projektu udało się zmapować ludzki genom za pomocą złożonej próbki pobranej od anonimowych dawców krwi.
Projekt Human Genome opierał się na metodach sekwencjonowania bakteryjnego sztucznego chromosomu (opartych na BAC) w celu mapowania par zasad. W tej technice wykorzystano bakterie do klonowania fragmentów DNA, co skutkuje dużymi ilościami DNA do sekwencjonowania. Klony zostały następnie zmniejszone, umieszczone w maszynie do sekwencjonowania i złożone w odcinki przedstawiające ludzkie DNA.
Inne przykłady sekwencjonowania DNA
Nowe odkrycia w genomice zmieniają głęboko podejście do zapobiegania chorobom, ich wykrywania i leczenia. Rząd przeznaczył miliardy dolarów na badania DNA. Egzekwowanie prawa polega na analizie DNA w celu rozwiązywania spraw. Zestawy do testowania DNA można kupić do użytku domowego w celu zbadania pochodzenia i identyfikacji wariantów genów, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia:
Etyczne konsekwencje sekwencjonowania DNA
Nowe technologie często wiążą się z możliwością korzyści społecznych, a także szkód; przykłady obejmują wadliwe działanie elektrowni jądrowych i nuklearną broń masowego rażenia. Technologie DNA wiążą się również z ryzykiem.
Obawy emocjonalne związane z sekwencjonowaniem DNA i narzędziami do edycji genów, takimi jak CRISPR, obejmują obawy, że technologia ta może ułatwić klonowanie ludzi lub doprowadzić do zmutowanych zwierząt transgenicznych stworzonych przez nieuczciwego naukowca.
Częściej kwestie etyczne związane z sekwencjonowaniem DNA mają związek z świadomą zgodą. Łatwy dostęp do bezpośrednich testów DNA dla konsumentów oznacza, że konsumenci mogą nie w pełni zrozumieć, w jaki sposób ich informacje genetyczne będą wykorzystywane, przechowywane i udostępniane. Świeccy mogą nie być emocjonalnie gotowi dowiedzieć się o wadliwych wariantach genów i zagrożeniach dla zdrowia.
Osoby trzecie, takie jak pracodawcy i firmy ubezpieczeniowe, mogą potencjalnie dyskryminować osoby posiadające wadliwe geny, które mogą powodować poważne problemy medyczne.