Penyelidik membuat genom E. coli mereka sendiri, memampatkan kod genetiknya

Kod genetik adalah asas untuk semua kehidupan, yang membolehkan maklumat yang ada dalam DNA diterjemahkan ke dalam protein yang melakukan kebanyakan fungsi sel. Namun ia ... macam kacau. Kehidupan biasanya menggunakan sekumpulan 20 asid amino, sementara kod genetik mempunyai 64 kombinasi yang mungkin. Kesilapan itu bermaksud bahawa kelebihan berleluasa berleluasa, dan banyak spesies telah mengubah variasi mengenai apa yang akan menjadi kod genetik sejagat.

Begitu juga kod itu sendiri yang penting, atau adakah sesuatu kemalangan bersejarah, yang dikunci oleh peristiwa-peristiwa dalam masa lalu evolusi yang jauh? Menjawab soalan itu belum menjadi pilihan sehingga baru-baru ini, kerana kod individu muncul di beratus-ratus ribu tempat dalam genom bahkan organisma paling mudah. Tetapi kerana keupayaan kami membuat DNA telah meningkat, ia telah menjadi mungkin untuk mensintesis seluruh genom dari awal, yang membolehkan penulisan semula kod genetik.

Sekarang, para penyelidik mengumumkan bahawa mereka telah mengubah genom bakteria itu E coli untuk menyingkirkan beberapa redundansi kod genetik. Bakteria yang dihasilkan berkembang sedikit lebih perlahan daripada ketegangan biasa tetapi sebaliknya sukar untuk dibezakan daripada rakan sebaya bukan sintetik mereka.

Kod dan redundansi

Kod genetik dinyatakan dalam set tiga pangkalan DNA. Setiap tiga jawatan ini boleh memegang mana-mana empat asas, yang bermakna terdapat 4 x 4 x 4 kombinasi yang mungkin, atau 64. Sebaliknya, terdapat hanya 20 asid amino, sementara sekurang-kurangnya satu daripada kodon yang selebihnya harus digunakan untuk beritahu sel untuk berhenti menterjemahkan kod itu. Itu meninggalkan ketidakcocokan sebanyak 43 kod yang tidak diperlukan. Sel menggunakan kod tambahan seperti redundansi; bukannya satu kod berhenti, kebanyakan genom menggunakan tiga. Lapan belas daripada 20 asid amino dikodkan oleh lebih daripada satu set tiga pangkalan; dua mempunyai sebanyak enam kod yang mungkin.

Adakah redundansi ini berguna? Jawapannya adalah "kadang-kadang." Contohnya, banyak urutan DNA melakukan tugas berganda, pengekodan kedua-dua protein dan maklumat pengawalseliaan yang mengendalikan aktiviti gen atau membenarkan struktur RNA tertentu terbentuk. Fleksibiliti redundansi menjadikannya lebih mudah untuk satu urutan untuk melayani dua tujuan. Redundansi juga boleh membenarkan penalaan aktiviti gen, kerana sesetengah kod diterjemahkan ke dalam protein lebih efisien daripada yang lain. Faktor-faktor ini menunjukkan bahawa redundansi kod genetik dapat berkembang menjadi sangat penting bagi suatu organisme.

Walau bagaimanapun, menguji sama ada kes itu adalah mimpi buruk. Malah genom paling padat mempunyai beratus-ratus gen (E coli strain mempunyai antara 4,000 dan 5,500), dan semua kod individu boleh berlaku beberapa kali dalam setiap. Mengedit setiap ini adalah mungkin tetapi akan menjadi fenomena memakan masa.

Jadi para penyelidik hanya mengkodekan sesuatu pada komputer. Memfokuskan pada salah satu asid amino yang mempunyai banyak kod berlebihan, mereka mengagak urutan supaya lebih daripada 18,000 kegunaan individu dari dua kod digantikan dengan pilihan yang berlebihan. Dengan genom sintetik yang direka, ia hanya menjadi perpecahan sehingga dapat diarahkan dari synthesizer DNA.

Ini lebih mudah daripada bunyi, menurut seorang penyelidik yang terlibat (dan pembaca Ars biasa) Wolfgang Schmied. "Dengan projek seperti itu, di mana anda bertanya soalan mengenai peraturan kod genetik yang anda harus komit untuk koma untuk memerintahkan nilai genom sintetik genom," katanya kepada Ars, "yang merupakan komitmen kewangan yang agak besar dan bukannya butang mudah untuk menekan. " Tetapi tekan ia mereka lakukan.

Sesetengah perhimpunan diperlukan

Malangnya, ada jurang yang besar antara mesin sintesis DNA yang boleh dihasilkan dan genom berjuta-juta-asas. Kumpulan itu harus melakukan proses pemasangan keseluruhan, menjahit bersama-sama kepingan kecil ke segmen besar dalam satu sel dan kemudian membawa ke dalam sel yang berbeza yang mempunyai segmen besar yang bertindih. "Secara peribadi, kejutan terbesar saya adalah bagaimana proses perhimpunan itu berfungsi," kata Schmied. "Kadar kejayaan di setiap peringkat adalah sangat tinggi, bermakna kita dapat melakukan majoriti kerja dengan teknik bangku standard."

Semasa proses itu, terdapat beberapa tempat di mana genom sintetik berakhir dengan masalah-dalam sekurang-kurangnya satu kes, ini adalah di mana dua gen penting yang bertindih. Tetapi para penyelidik mampu mengubah versi mereka untuk menyelesaikan masalah yang mereka dikenalpasti. Genom akhir juga mempunyai segelintir kesilapan yang muncul semasa proses pemasangan, tetapi tidak ada yang mengubah ketiga-tiga kod asas yang disasarkan.

Akhirnya, ia berfungsi. Daripada menggunakan 61 daripada 64 kod berpotensi untuk asid amino, organisma baru yang digelar Syn61 hanya digunakan 59. Para penyelidik kemudian dapat memadam gen yang biasanya membenarkan E coli untuk menggunakan kod yang diarahkan semula. Biasanya, gen ini penting; dalam Syn61, mereka boleh dipadam tanpa masalah. Itu bukan untuk mengatakan strain Syn61 baik-baik saja; ia berkembang dengan lebih perlahan daripada rakan sebaya biasa. Tetapi ini mungkin adalah hasil semua kes yang dijelaskan sebelum ini, di mana urutan DNA melakukan lebih daripada satu fungsi. Ada kemungkinan bahawa, dari masa ke masa, ketegangan dapat berkembang kembali ke kadar pertumbuhan normal.

Selain daripada menjawab soalan mengenai biologi asas, strain Syn61 akhirnya boleh digunakan. Terdapat lebih banyak asid amino di luar sana daripada penggunaan hayat 20, dan kebanyakannya mempunyai sifat kimia yang menarik. Untuk menggunakannya, bagaimanapun, kita memerlukan kod genetik yang boleh dialihkan ke asid amino buatan-tepatnya apa yang telah disediakan oleh kerja baru ini.

Alam, 2019. DOI: 10.1038 / s41586-019-1192-5 (Mengenai DOI).

Tonton video itu: Where is the Biggest Garbage Dump on Earth? #aumsum (Disember 2019).