Съдържание
- Геномика и ДНК секвениране
- Определение на ДНК секвениране
- ДНК секвениране: ранни изследвания
- Най-голямата амбиция на Сангер беше последователността на мащабни, цели геноми, но секвенцирането на минусовите базови двойки на бактериофага намалява в сравнение с последователността на 3 милиарда базови двойки от човешкия геном. Независимо от това, научаването как да се секвенира целия геном на ниско бактериофаг беше основна стъпка към обединяване на целия геном на човешките същества. Тъй като ДНК и хромозоми са съставени от милиони базови двойки, повечето методи за секвениране разделят ДНК на малки нишки и след това ДНК сегментите са разделени заедно; просто отнема време или бързи, сложни машини.
- Основи на ДНК секвениране
- Методи за секвениране на ДНК: Сангер методи
- Друго вълнуващо развитие беше методът на пушката, който извади на случаен принцип и секвенцира до 700 базови двойки наведнъж. Сангер е известен и с използването на метода на дидеокси (дидеоксинуклеотид), който вмъква верижно завършващ нуклеотид по време на синтеза на ДНК, за да маркира части от ДНК за анализ.
- Стъпки за секвениране на ДНК
- Напредък в технологията за секвениране на ДНК
- Проектът за човешкия геном
- Други примери за секвениране на ДНК
- Етични последици от секвенирането на ДНК
Нуклеотидите са химическите градивни елементи на живота и се намират в ДНК на живите организми. Всеки нуклеотид се състои от захар, фосфат и a азотсъдържаща основа: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Специфичният ред на тези нуклеотидни бази определя кои протеини, ензими и молекули ще бъдат синтезирани от клетката.
Определянето на реда или последователността на нуклеотидите е важно за изследването на мутациите, еволюцията, прогресирането на заболяването, генетичните тестове, криминалистичните изследвания и медицината.
Геномика и ДНК секвениране
геномика е изследване на ДНК, гени, генни взаимодействия и влияния на околната среда върху гените. Тайната на разгадаването на сложните вътрешни действия на гените е в това да се идентифицира тяхната структура и местоположение върху хромозомите.
Сините на живите организми се определят от реда (или последователността) на двойките основи на нуклеиновата киселина в ДНК. Когато ДНК се репликира, аденинът се сдвоява с тимин и цитозинът с гуанин; Разминават се двойки мутации.
Тъй като молекулата на двойната спирала на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е концептуализирана през 1953 г., са направени драматични подобрения в областта на геномиката и мащабното секвенциране на ДНК. Учените усърдно работят, за да приложат тези нови знания при индивидуализирано лечение на болестите.
В същото време продължаващите дискусии позволяват на изследователите да останат пред етичните последици от такива бързо експлодиращи се технологии.
Определение на ДНК секвениране
ДНК секвенирането е процесът на откриване на последователността на различни нуклеотидни бази в фрагменти от ДНК. Пълно генното секвениране позволява сравняване на хромозоми и геноми, присъстващи при едни и същи и различни видове.
Картирането на хромозоми е полезно за научни изследвания. Анализът на механизмите и структурата на гените, алелите и хромозомните мутации в молекулите на ДНК предполага нови начини за лечение на генетични разстройства и спиране на растежа на ракови тумори, например.
ДНК секвениране: ранни изследвания
Методите на ДНК на Фредрик Сангер за секвениране значително напредна в областта на геномиката, започвайки през 70-те години. Сангер се почувства готов да се справи с ДНК последователността след успешно секвениране на РНК при изследване на инсулин. Сангер не е първият учен, който се занимава с ДНК последователности. Въпреки това, неговите умни методи за секвениране на ДНК - разработени в тандем с колегите му Берг и Гилбърт - печелят Нобелова награда през 1980г.
Най-голямата амбиция на Сангер беше последователността на мащабни, цели геноми, но секвенцирането на минусовите базови двойки на бактериофага намалява в сравнение с последователността на 3 милиарда базови двойки от човешкия геном. Независимо от това, научаването как да се секвенира целия геном на ниско бактериофаг беше основна стъпка към обединяване на целия геном на човешките същества. Тъй като ДНК и хромозоми са съставени от милиони базови двойки, повечето методи за секвениране разделят ДНК на малки нишки и след това ДНК сегментите са разделени заедно; просто отнема време или бързи, сложни машини.
Основи на ДНК секвениране
Сангер знаеше потенциалната стойност на работата си и често си сътрудничи с други учени, които споделят интересите му в областта на ДНК, молекулярната биология и науката за живота.
Макар и бавни и скъпи в сравнение с днешните технологии за секвениране, по това време методите на Sanger за секвениране са възхвалявани. След опит и грешки, Сангър откри тайната биохимична „рецепта“ за разделяне на нишки на ДНК, създаване на повече ДНК и определяне на реда на нуклеотидите в генома.
Висококачествените материали могат лесно да бъдат закупени за използване в лабораторни изследвания:
Методи за секвениране на ДНК: Сангер методи
Сангер измисли как да нарязва ДНК на малки сегменти, използвайки ензима ДНК полимераза.
След това той направи повече ДНК от шаблон и вмъкна радиоактивни проследяващи вещества в новата ДНК, за да демаркира части от отделените нишки. Той също така разбра, че ензимът се нуждае от грунд, който може да се свърже с определено място на шаблона. През 1981 г. Сангер отново прави история, като открива генома на 16 000 базови двойки на митохондриалната ДНК.
Друго вълнуващо развитие беше методът на пушката, който извади на случаен принцип и секвенцира до 700 базови двойки наведнъж. Сангер е известен и с използването на метода на дидеокси (дидеоксинуклеотид), който вмъква верижно завършващ нуклеотид по време на синтеза на ДНК, за да маркира части от ДНК за анализ.
Стъпки за секвениране на ДНК
Температурата трябва внимателно да се регулира през целия процес на секвениране. Първо, химикалите се добавят в епруветка и се нагряват, за да се разплете (денатурира) двуверижната ДНК молекула. След това температурата се охлажда, което позволява на грунда да се свърже.
След това температурата се повишава, за да се насърчи оптималната активност на ДНК полимераза (ензим).
Полимеразата обикновено използва наличните нормални нуклеотиди, които се добавят в по-висока концентрация.Когато полимеразата стигне до свързан с оцветител нуклеотид, свързан с багрила, полимеразата спира и веригата завършва там, което обяснява защо обагрените нуклеотиди се наричат „верига на завършване“ или „терминатори“.
Процесът продължава много, много пъти. В крайна сметка свързаният с оцветител нуклеотид е поставен във всяка позиция на ДНК последователността. Гел електрофорезата и компютърните програми могат след това да идентифицират цветовете на багрилото на всяка от веригите на ДНК и да разберат цялата последователност на ДНК въз основа на багрилото, позицията на багрилото и дължината на нишките.
Напредък в технологията за секвениране на ДНК
Високопроизводително секвениране - обикновено наричани следващо поколение последователност - използва нови постижения и технологии за последователност на нуклеотидните бази по-бързо и евтино от всякога. ДНК-секвенсиращата машина може лесно да се справи с мащабни участъци от ДНК. Всъщност, всички геноми могат да бъдат направени за броени часове, вместо за години с техники за секвениране на Сангер
Методите за секвениране от следващо поколение могат да се справят с ДНК анализ с голям обем без добавената стъпка на амплификация или клониране, за да се получи достатъчно ДНК за секвениране. ДНК-секвениращите машини извършват множество реакции на последователност наведнъж, което е по-евтино и по-бързо.
По същество новата технология за секвениране на ДНК управлява стотици реакции на Сангър върху малък, лесно четим микрочип, който след това се изпълнява чрез компютърна програма, която сглобява последователността.
Техниката чете по-къси фрагменти от ДНК, но все пак е по-бърза и по-ефективна от методите за секвениране на Сангер, така че дори мащабни проекти могат бързо да бъдат завършени.
Проектът за човешкия геном
Най- Проект за човешки геном, завършено през 2003 г., е едно от най-известните проучвания за последователност, направени до този момент. Според статия за 2018 г. в Science News, човешкият геном се състои от приблизително 46 831 гени, което беше страхотно предизвикателство към последователността. Топ учени от цял свят прекараха почти 10 години в сътрудничество и консултации. Водено от Националното изследване на човешкия геном
Институт, проектът успешно картографира човешкия геном с помощта на композитна проба, взета от анонимни кръводарители.
Проектът за човешкия геном разчита на методите за секвениране на бактериални изкуствени хромозоми (базирани на BAC), за да очертаят базови двойки. Техниката използва бактерии за клониране на ДНК фрагменти, което води до големи количества ДНК за секвениране. След това клононите бяха намалени по размер, поставени в машина за секвениране и събрани в участъци, представляващи човешка ДНК.
Други примери за секвениране на ДНК
Новите открития в геномиката променят дълбоко подходите за превенция, откриване и лечение на болести. Правителството е ангажирало милиарди долари за ДНК изследвания. Органите на реда разчитат на ДНК анализа, за да разрешават случаи. ДНК тестовите комплекти могат да бъдат закупени за домашна употреба за изследване на потекло и идентифициране на генни варианти, които могат да представляват риск за здравето:
Етични последици от секвенирането на ДНК
Новите технологии често идват с възможност за социална полза, както и за вреди; примери включват неправилно функциониращи атомни централи и ядрени оръжия за масово унищожение. ДНК технологиите също са с рискове.
Емоционалните притеснения относно ДНК секвентирането и инструментите за редактиране на гени като CRISPR включват опасения, че технологията може да улесни клонирането на хора или да доведе до мутантни трансгенни животни, създадени от измамник учен.
По-често етичните въпроси, свързани с последователността на ДНК, са свързани с информирано съгласие. Лесният достъп до тестване на ДНК директно до потребителя означава, че потребителите може да не разберат напълно как ще се използва, съхранява и споделя тяхната генетична информация. Хората на лъжите може да не са емоционално готови да научат за техните дефектни варианти на гени и рискове за здравето.
Трети страни като работодатели и застрахователни компании могат потенциално да дискриминират лица, които носят дефектни гени, които могат да доведат до сериозни медицински проблеми.