Не волнуйся, я все объясню. Вернемся к этому через некоторое время.

По моему скромному мнению, создание ДНК и ее последующая эволюция до доминирующего архитектора сложных организмов — не что иное, как чудо. Меня смущает мысль о том, как люди переходят от одной клетки к разумной жизни.

Репликация эукариотической ДНК

Для тех, кто давно не занимался биологией, позвольте мне освежить ваши мысли. ДНК находится в ядрах клеток по всему телу. Он содержит четыре разных нуклеотида (основания): аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (Г). По большей части эти нуклеотиды расположены в виде 64 уникальных триплетов, кодирующих 23 различных аминокислоты. Информация, которую кодирует ДНК, переводится в эти аминокислоты в рибосомах, далеко от ядра. Чтобы отправить необходимую информацию из ядра на рибосому, клетка транскрибирует информационную РНК (мРНК).

Объяснение процесса репликации/транскрипции ДНК займет много времени, поэтому я приведу сокращенную версию. ДНК состоит из двух нитей, комплементарных друг другу. Эти две цепи разделяются, когда фермент, известный как геликаза, расстегивает две нити. Затем ДНК-полимеразы начинают присоединять комплементарные нуклеотиды к расстегнутым цепям». Однако полимеразы могут присоединять основания только в одном направлении. Это проблема, потому что две нити ДНК идут друг против друга. Цепь, к которой ДНК-полимераза без труда присоединяет новые нуклеотиды, называется ведущей, а идущая напротив — отстающей.

Репликация отстающей нити значительно сложнее, чем репликация ее аналога. ДНК-примаза катализирует создание короткого фрагмента РНК/ДНК, что позволяет полимеразе начать синтез. Это заканчивается примерно на 100–200 нуклеотидов позже, и этот короткий фрагмент ДНК известен как фрагмент Окадзаки. Затем соседние фрагменты Окадзаки соединяются лигазой и нуклеотидами, праймеры удаляются экзонуклеазой, а оставляемые ими промежутки заполняются ДНК.

Репликация прокариотической ДНК

Удлинение ДНК прокариот относительно похоже на удлинение ДНК эукариот, за исключением того факта, что прокариотическая ДНК расположена по кругу. Еще одно отличие состоит в том, что после определения точки начала репликации ДНК-полимеразы начинают синтезировать в обоих направлениях.

E.coli и ее использование в генной инженерии

Escherchia coli — это бактерия, обитающая в нижних отделах кишечника теплокровных млекопитающих. Большинство штаммов безвредны, но прежде всего нам известны те, которые вызывают пищевое отравление. Эта бактерия является примером модельного организма для биологической инженерии: легко выращивается/быстро растет, многочисленна, генетически проста, способна содержать чужеродную ДНК, а геном хорошо изучен.

Внутри клетки E.coli существуют небольшие кольцевые последовательности ДНК, называемые плазмидами. Эти плазмиды способны к автономной репликации и наряду с рестрикционными ферментами имеют жизненно важное значение в генной инженерии. Функция этих ферментов рестрикции заключается в расщеплении ДНК в определенных местах кода, называемых сайтами рестрикции. Затем инженеры могут отжигать чужеродную ДНК в расщепленной плазмиде и обеспечивать производство всего, что кодирует чужеродная ДНК. Одним из первых примеров использования E.coli в промышленной микробиологии было производство человеческого инсулина. Другими способами, которыми генетики используют E.coli, являются разработка вакцин, биоремедиация (процесс очистки загрязненной воды, воздуха и т. д.) и разработка биотоплива.

Одним из источников энергии, которые использует человек, является глюкоза. Эта молекула углевода необходима для производства АТФ, топлива для многих наших биологических функций. E.coli также использует глюкозу, но также может использовать лактозу, другой углевод, при отсутствии глюкозы внутри клетки.

Оперон lac, или код, обеспечивающий продукцию белков, способных метаболизировать лактозу, имеет три важных участка перед соответствующим кодом (кодом, содержащим информацию для создания белков): промотор, оператор и сайт CAP.

Промотор — это место, где полимераза связывается с ДНК, готовая начать синтез генетического материала. Оператор находится там, где связан фермент, называемый лактозным репрессором, поскольку в клетке нет длинной лактозы. Оператор также находится перед местом связывания полимеразы, эффективно отключая способность полимеразы начать синтез. Когда присутствует лактоза, некоторые молекулы лактозы превращаются в молекулу, называемую аллолактозой. Затем аллолактоза связывается с определенным местом на lac-репрессоре и изменяет его структуру, так что репрессор больше не может связываться с ДНК. Это должно позволить полимеразе выполнять свою функцию, верно? Нет. Полимераза не может легко связываться с промотором, где вступают в действие сайт CAP и CAP (белок-активатор катаболита). CAP плохо связывается с сайтом CAP, за исключением случаев, когда присутствуют высокие уровни цАМФ (циклический АМФ). . цАМФ присутствует только при низком уровне глюкозы, поэтому для синтеза генов РНК-полимеразой необходимы два условия: уровень глюкозы должен быть низким, а уровень лактозы должен быть высоким.

Такая обратная связь, условия и т. д. напоминают написание кода, не так ли?

Виолончель и генетическая схемотехника

Пора, наконец, обратиться к названию блога. Как E.coli может помочь нам победить рак? Виолончель.

Cello — это программа, которая использует компьютерный язык Verilog и преобразует его в последовательность ДНК. Команды, написанные пользователем, добавляют функциональности в схему гена. Кристофер Фойгт, один из ключевых специалистов Массачусетского технологического института, называет это языком программирования для бактерий, в частности для E.coli. По сути, мы можем настроить E.coli в соответствии с нашими пожеланиями в разумных пределах (опять же, как код).

Почему это важно? Представьте, что наши собственные клетки конструируют так, чтобы они активно реагировали на болезни еще до того, как мы увидим какие-либо симптомы. Теоретически клетки смогут выделять лекарства, когда обнаруживают раковые клетки в организме. Мы могли бы написать код, позволяющий клеткам метаболизировать лактозу/глютен, чтобы помочь тем, кто этого не может. Наши собственные клетки могли бы действовать как нанороботы. Растения могли бы реагировать на острую нехватку влаги в воздухе и производить собственные инсектициды. Даже один-единственный ген может оказать сильное влияние на остальную часть тела. Например, Y-хромосома у мужчин содержит ген, называемый SRY, или область Y, определяющую пол, которая запускает процесс, который подавляет структурный рост женщин, но способствует развитию мужских характеристик.

Вывод

Вывод: генная схемотехника — самая крутая вещь на свете. С помощью генетики мы можем сделать так много невероятных вещей, и это всего лишь первый маленький шаг в развитии этой области исследований.