de John G. Cramer

Această coloană este despre alfabetul genomului și o nouă metodă de extindere a acestuia, descrisă într-o lucrare publicată recent în Nature online. În special, numărul de litere din alfabetul genomului a fost extins de la 4 la 6. Pentru a înțelege semnificația acestei dezvoltări, vom începe prin a revedea o biologie moleculară de bază.

spargerea

Toată viața de pe pământ, de la bacterii la oameni, folosește același cod genetic al a patru baze nucleotidice: acid timidilic (T), acid citidilic (C), acid adenilic (A) și acid guanilic (G). Nucleotidele formează perechi, astfel încât A perechi cu T și C perechi cu G pentru a forma lanțuri de ADN asemănătoare scărilor care acționează ca o bibliotecă de instrucțiuni pentru asamblarea proteinelor din care sunt construite toate formele de viață. Enzima transcriptază rulează de-a lungul lanțului ADN, transcriind secvența nucleotidică a A, C, G și T într-un lanț de "ARN mesager" (ARNm) de nucleotide A, C, G și U, cu preluarea acidului uridicilic (U) locul T în lanțul mARN. ARNm transcris este apoi citit ca o bandă de bandă de hârtie perforată, câte 3 litere odată, de către enzima ribozomului (vezi coloana mea # 106 „Decoding the Ribosome” din ediția din mai-2001 a Analog) care, cu ajutorul „Transfer ARN” (ARNt), asamblează o moleculă proteică.

O proteină este în esență un șir unidimensional de aminoacizi care se pliază într-un obiect tridimensional. Astfel de proteine ​​pliate sunt elementele de bază ale tuturor ființelor vii. Proteinele formează membri structurali, regulatori, apărători, catalizatori, comunicatori și pompe; mișcătorii și agitatorii tuturor organismelor vii. Instrucțiunile active de asamblare ale fiecărei proteine ​​sunt codificate într-un fir de ARNm. ADN-ul are o coloană vertebrală de dezoxiriboză și fosfat care susține o secvență alternativă de litere A, C, G și T, în timp ce mARN are o coloană vertebrală de riboză și fosfat care susține o secvență alternativă de litere A, C, G și U. Aceste diferențe structurale fac din ARNm o secvență liniară mai mobilă, care nu are tendința ADN-ului de a se înfășura și de a forma o dublă spirală.

Un grup de la Institutul Scripps din La Jolla, California, a făcut recent o schimbare semnificativă în aceste reguli de bază ale geneticii prin extinderea alfabetului genomului de la 4 litere la 6. Au folosit un truc care implică cloroplaste în plante, care au capacitatea de a importa nucleotide. din țesuturile înconjurătoare. Gena responsabilă de aceasta a fost identificată, iar grupul Scripps a extras acea genă dintr-o celulă de alge și a îmbinat-o în ADN-ul unei bacterii Escherichia coli.

Grupul Scripps identificase anterior o pereche „nenaturală” de nucleotide, d5SICSTP (X) și dMaMTP (Y), care au aproximativ aceeași dimensiune și pereche în același mod ca și nucleotidele naturale ale ADN-ului. În publicațiile anterioare au demonstrat că aceste nucleotide nenaturale s-au comportat ca perechi de nucleotide naturale, ar putea fi amplificate prin reacția în lanț a polimerazei (PCR) și ar putea fi transcrise cu precizie de la ADN la ARNm. În lucrarea de față au introdus un inel mic de ADN (o plasmidă) conținând o pereche de baze XY în genomul E. coli și au demonstrat, urmărind procesul prin 24 de cicluri de reproducere bacteriană, că mecanismul normal de replicare a celulelor a cauzat întotdeauna ADN care conține perechea de baze XY pentru a fi reprodus împreună cu celălalt material genetic al organismului. Lucrarea a fost realizată cu o singură pereche de baze X-Y adăugată la celulă, dar este de așteptat ca celulele cu multe astfel de perechi de baze să se reproducă în același mod.

Implicația acestei lucrări este că două litere au fost adăugate la alfabetul genomului, ducând la 6 x 6 x 6 sau 216 posibile combinații de cuvinte din 3 litere, astfel încât, chiar și cu redundanțe suplimentare și coduri de oprire, mai multe 3- sunt disponibile cuvinte cu litere pentru comandarea asamblării aminoacizilor în proteine. Codul natural al genomului din 4 litere permite utilizarea a doar 20 de aminoacizi ca componente proteice. Se estimează că, odată cu codul natural de 6 litere, în asamblarea proteinelor ar putea fi folosiți până la 172 de aminoacizi diferiți, ducând la un spectru mult mai bogat de proteine ​​posibile. Acest lucru are implicații mari pentru medicamentele de designer produse de bacterii și medicamentele de varietate, potență și eficacitate crescute.

Cum se stabilește legătura dintre noile cuvinte din 3 litere care conțin X și/sau Y și 152 de aminoacizi în plus? Aceasta este o posibilă problemă pentru orice utilizare a alfabetului extins. Conexiunea dintre codurile ARNm și aminoacizii este implementată prin molecule speciale de ARN de transfer (ARNt) prezente în citoplasma celulei. Acestea sunt catene de ARN destul de scurte care funcționează ca manipulatori de aminoacizi în procesul de sinteză a proteinelor. Molecula de ARNt are o secțiune specială care conține o secvență complementară care se potrivește și se ancorează cu codul ARNm din trei litere, iar molecula ARNT se termină cu o secvență care se atașează la o formă activată a aminoacidului specific la care codul de trei litere se referă. Aceste molecule de ARNt colectează aminoacizii lor desemnați, îi transportă la ribozom și participă la asamblarea lor într-o proteină.

Pentru ca procesul să funcționeze, trebuie să fie disponibile noi molecule de ARNt care staționează cu codurile ARNm care conțin X sau Y și acestea trebuie să se atașeze la un membru selectat al setului extins de aminoacizi de la celălalt capăt. Este puțin probabil ca un astfel de ARNt să fie prezent într-o celulă naturală. Mai degrabă, o anumită secțiune a ADN-ului celulei ar trebui modificată pentru a avea o secvență, conținând noile nucleotide X sau Y, care ar determina transcriptaza să producă moleculele de ARNt ne-naturale necesare. În principiu, astfel de secvențe de ADN ar putea fi sintetizate în laborator și îmbinate în ADN celular pentru a furniza ARNt ne-natural necesar. Cu toate acestea, ar trebui să proiectăm molecula de ARNt rezultată astfel încât să îndeplinească sarcinile necesare de asociere și de asamblare a aminoacizilor. Nu este clar, cel puțin pentru mine, că înțelegem suficient despre genetică moleculară pentru a face acest proiect.

O altă problemă este aceea a plierii proteinelor. Predicția exactă a modului în care o proteină naturală, care este un lanț liniar de verigi selectate dintre cei 20 de aminoacizi naturali, se pliază într-o moleculă tridimensională este o problemă majoră a biologiei moleculare. La această scriere există aproximativ 71 de servere digitale dedicate calculatoarelor special construite pentru a aborda problema plierii proteinelor. Aceste sisteme gigantice sunt folosite pentru a prezice structura proteinelor, dar niciunul dintre ele nu a reușit complet în această sarcină. Problema plierii proteinelor este un obstacol major în proiectarea de noi medicamente și în înțelegerea proceselor moleculare ale organismelor vii. Acum, să presupunem că extindem câmpul pentru a include proteine ​​realizate cu 172 de aminoacizi posibili în loc de doar 20. Problema plierii devine în mod clar mai complexă. Cum vom putea prezice modul în care aceste noi proteine ​​nenaturale se pliază, atunci când avem atât de multe probleme în prezicerea plierii celor mai simple naturale? După cum spun oamenii de știință la sfârșitul lucrărilor de cercetare, rămâne mult de făcut în acest domeniu.

În consecință, activitatea grupului Scripps este un început bun, dar suntem încă departe de a extinde alfabetul genomului într-un mod direct util. Cu toate acestea, am început pe o cale care ar putea duce la multe noi minuni genetice.

Aceasta este o revistă de știință-ficțiune, deci să luăm în considerare unele dintre implicațiile SF ale alfabetului genomului extins. În primul rând, este acum clar că codul standard al genomului din 4 litere care formează cuvinte din 3 litere care este prezent în toate formele de viață cunoscute de pe Pământ este un accident de evoluție. Există un cod mai bun, pe care Natura nu l-a ales. Este disponibil un cod al genomului din 6 litere, care ar extinde în mare măsură gama de aminoacizi pe care celulele le-ar putea folosi pentru a asambla proteinele. Viața în altă parte a Universului s-ar fi putut stabili pe un standard diferit, folosind 6 nucleotide în loc de 4. Formele de viață care utilizează un astfel de alfabet genomic ar putea fi superioare vieții Pământului în adaptabilitate, deoarece gama de proteine ​​pe care aceste celule extraterestre le-ar putea asambla nu ar fi restricționată la doar 20 de aminoacizi.

Alternativ, progresul tehnologic în acest domeniu ar putea duce la noi organisme modificate genetic care utilizează alfabetul genomului extins pentru a deschide o mare varietate de noi funcții chimice, inclusiv medicamente noi și alimente noi. Este probabil ca astfel de organisme care folosesc proteine ​​nenaturale să poată „fugi” și să provoace plăgi, moarte și distrugere? Nu chiar. Reproducerea lor depinde de disponibilitatea nucleotidelor sintetice X și Y, care sunt rare sau indisponibile în celulele naturale. Este posibil ca organismele biologice naturale modificate să fie mai periculoase.

În viitorul îndepărtat, ne putem imagina că descendenții umanității ar fi putut să-și fi preluat moștenirea genetică sub propria lor gestionare și ar putea absolvi un nou nivel genomic, în care mintea și corpul lor folosesc în mod obișnuit codul genomului din 6 litere pentru a se adapta la condițiile provocatoare și periculoase prezente în alte părți ale universului în spațiu și pe planetele extraterestre. În orice caz, s-a deschis o nouă ușă în domeniul biologiei moleculare.

Amplificarea PCR a alfabetului genomului cu 6 litere:
„PCR cu un alfabet genetic extins”, D. A. Malyshev, și colab., J. Am. Chem. Soc 131, 14260-14621 (2013).

E. Coli cu alfabetul genomului cu 6 litere:
„Un organism semi-sintetic cu un alfabet genetic extins”, D. A. Malyshev, și colab., Natura 509, 385-388 (2014).

Noua carte a lui John Cramer: o lucrare de non-ficțiune care descrie Interpretarea tranzacțională a mecanicii cuantice, Strângerea de mână cuantică - încurcătură, nelocalitate și tranzacții, (Springer, ianuarie-2016) este disponibil pentru cumpărare online ca tipărit sau carte electronică la: http://www.springer.com/gp/book/9783319246406 .

Romane SF de John Cramer: cele două romane ale mele SF, Twistor și Podul lui Einstein, sunt lansate recent ca cărți electronice de către Book View Cafe și sunt disponibile la: http://bookviewcafe.com/bookstore/?s=Cramer .

Coloane AV online: Reeditări electronice a aproximativ 177 coloane "The Alternate View" de John G. Cramer, publicate anterior în Analogic, sunt disponibile online la: http://www.npl.washington.edu/av .

Ieșiți pe site.

Această pagină a fost creată de John G. Cramer la 11.08.2014.