Tartalom
- Genomika és DNS szekvenálás
- A DNS-szekvenálás meghatározása
- DNS-szekvenálás: Korai kutatás
- Sanger legnagyobb törekvése a nagy léptékű, teljes genom szekvenálása volt, de a csekély bakteriofág bázispárok szekvenálása szétválasztott volt, összehasonlítva a humán genom 3 milliárd bázispárjának szekvenálásával. Ennek ellenére az alacsony bakteriofág teljes genomjának szekvenciájának megtanulása fontos lépés volt az egész ember genomjának összeillesztése felé. Mivel a DNS és a kromoszómák több millió bázispárból állnak, a legtöbb szekvenálási módszer a DNS-t kis szálokra osztja, és majd a DNS-szegmenseket összeillesztjük; csak időbe telik, vagy gyors, kifinomult gépekre van szükség.
- A DNS szekvenálás alapjai
- A DNS-szekvenálás módszerei: Sanger-módszerek
- Egy másik izgalmas fejlesztés a lövöldözős módszer volt, amely véletlenszerűen vett mintát és szekvenált akár 700 bázispárt egy időben. Sanger arról is ismert, hogy a didezoxi (dideoxinukleotid) módszert használja, amely egy DNS-szintézis során egy lánccal végződő nukleotidot illeszt be, hogy megjelölje a DNS metszeteit az elemzéshez.
- DNS szekvenáló lépések
- A DNS szekvenáló technológia fejlődése
- Az emberi genom projekt
- Egyéb DNS-szekvenálási példák
- A DNS-szekvenálás etikai következményei
A nukleotidok az élet kémiai építőkövei és megtalálhatók az élő szervezetek DNS-ében. Minden nukleotid tartalmaz egy cukor, foszfát és a nitrogéntartalmú bázis: adenin (A), timin (T), citozin (C) és guanin (G). Ezen nukleotidbázisok meghatározott sorrendje határozza meg, mely fehérjéket, enzimeket és molekulákat szintetizálja a sejt.
A nukleotidok sorrendjének vagy sorrendjének meghatározása fontos a mutációk, az evolúció, a betegség progressziója, a genetikai tesztelés, a kriminalisztikai vizsgálat és az orvostudomány vizsgálata szempontjából.
Genomika és DNS szekvenálás
Genomics a DNS, gének, génkölcsönhatások és a génekre gyakorolt környezeti hatások vizsgálata. A gének komplex belső működésének feltárásának titka az a képesség, hogy meghatározzuk azok struktúráját és helyét a kromoszómákon.
Az élő organizmusok kékét a DNS nukleinsav-bázispárok sorrendje (vagy sorrendje) határozza meg. Amikor a DNS replikálódik, az adenin párosul a timinnel, és a citozin a guaninnal; nem megfelelő párokat vesszük figyelembe mutációk.
Mivel 1953-ban a kettős spirális dezoxiribonukleinsav (DNS) molekulát megfogalmazták, drámai fejlesztések történtek a genomika és a nagyszabású DNS szekvenálás területén. A tudósok szorgalmasan dolgoznak azért, hogy ezt az új tudást a betegségek individualizált kezelésére alkalmazzák.
Ugyanakkor a folyamatban lévő megbeszélések lehetővé teszik a kutatók számára, hogy lépést tegyenek az ilyen gyorsan felrobbanó technológiák etikai következményeivel.
A DNS-szekvenálás meghatározása
A DNS-szekvenálás a különféle nukleotidbázisok szekvenciájának felfedezésének folyamata a DNS-részletekben. A teljes gén szekvenálás lehetővé teszi az azonos és különböző fajokban jelenlévő kromoszómák és genomok összehasonlítását.
A kromoszómák feltérképezése hasznos a tudományos kutatásban. A gének, allélek és kromoszómális mutációk mechanizmusainak és szerkezetének elemzése a DNS-molekulákban új módszereket javasol a genetikai rendellenességek kezelésére és például a rákos daganatok növekedésének megállítására.
DNS-szekvenálás: Korai kutatás
Frederick Sanger DNS-szekvenálási módszerei az 1970-es évektől kezdve jelentősen előrehaladta a genomika területét. Sanger készen állt arra, hogy foglalkozzon a DNS-szekvenálással, miután az RNS-t sikeresen szekvenálta az inzulin tanulmányozásakor. Sanger nem volt az első olyan tudós, aki a DNS-szekvenálás során elkerülte a dolgot. Okos DNS-szekvenálási módszerei - amelyeket Berg és Gilbert kollégákkal együtt fejlesztettek ki - 1980-ban Nobel-díjat nyertek.
Sanger legnagyobb törekvése a nagy léptékű, teljes genom szekvenálása volt, de a csekély bakteriofág bázispárok szekvenálása szétválasztott volt, összehasonlítva a humán genom 3 milliárd bázispárjának szekvenálásával. Ennek ellenére az alacsony bakteriofág teljes genomjának szekvenciájának megtanulása fontos lépés volt az egész ember genomjának összeillesztése felé. Mivel a DNS és a kromoszómák több millió bázispárból állnak, a legtöbb szekvenálási módszer a DNS-t kis szálokra osztja, és majd a DNS-szegmenseket összeillesztjük; csak időbe telik, vagy gyors, kifinomult gépekre van szükség.
A DNS szekvenálás alapjai
Sanger ismerte munkája potenciális értékét, és gyakran együttműködött más tudósokkal, akik megosztották érdeklődését a DNS, a molekuláris biológia és az élettudomány területén.
Annak ellenére, hogy lassú és drága a mai szekvenálási technológiákhoz képest, a Sanger DNS-szekvenálási módszereit akkoriban dicsérték. Kísérlet és hiba után Sanger megtalálta a titkos biokémiai „receptet” a DNS szálainak elválasztására, több DNS létrehozására és a genomban levő nukleotidok sorrendjének azonosítására.
Kiváló minőségű anyagok megvásárolhatók laboratóriumi vizsgálatokhoz:
A DNS-szekvenálás módszerei: Sanger-módszerek
Sanger kitalálta, hogyan lehet a DNS-t kis részekre vágni az enzim DNS-polimeráz segítségével.
Ezután több DNS-t készített egy sablonból, és behelyezett radioaktív nyomjelzőket az új DNS-be az elválasztott szálak metszeteinek körülhatárolására. Azt is felismerte, hogy az enzimnek olyan primerre van szüksége, amely kötődhet a templát szál egy adott pontjához. 1981-ben Sanger ismét története történt, amikor kitalálta a mitokondriális DNS 16 000 bázispáros genomját.
Egy másik izgalmas fejlesztés a lövöldözős módszer volt, amely véletlenszerűen vett mintát és szekvenált akár 700 bázispárt egy időben. Sanger arról is ismert, hogy a didezoxi (dideoxinukleotid) módszert használja, amely egy DNS-szintézis során egy lánccal végződő nukleotidot illeszt be, hogy megjelölje a DNS metszeteit az elemzéshez.
DNS szekvenáló lépések
A hőmérsékletet a szekvenálási folyamat során gondosan beállítani kell. Először a vegyszereket hozzáadjuk egy csőhöz, és melegítjük, hogy a kettős szálú DNS-molekulát kibonthassuk (denaturáljuk). Ezután a hőmérsékletet lehűtjük, lehetővé téve az alapozó kötését.
Ezután a hőmérsékletet megemelik, hogy ösztönözze az optimális DNS-polimeráz (enzim) aktivitást.
A polimeráz általában a rendelkezésre álló normál nukleotidokat használja, amelyeket magasabb koncentrációban adnak hozzá.Amikor a polimeráz eljut egy „láncvégződéssel” festett kötésű nukleotidhoz, akkor a polimeráz megáll, és a lánc ott végződik, ami megmagyarázza, hogy a festett nukleotidokat miért nevezik „láncvégződésnek” vagy „terminátoroknak”.
A folyamat sokszor, sokszor folytatódik. Végül a festékhez kapcsolt nukleotidot a DNS-szekvencia minden egyes helyzetébe elhelyeztük. A gélelektroforézis és a számítógépes programok ezután azonosítják a festék színeit az egyes DNS-szálakon, és a festék, a festék elhelyezése és a szál hossza alapján kitalálhatják a teljes DNS-szekvenciát.
A DNS szekvenáló technológia fejlődése
Nagy áteresztőképességű szekvenálás - általában a következő generációs szekvenálás - új fejlesztéseket és technológiákat alkalmaz a nukleotidbázisok gyorsabb és olcsóbb szekvenálására, mint valaha. A DNS-szekvenáló gép könnyen kezelheti a nagyszabású DNS-szakaszokat. Valójában a teljes genomok órák alatt elkészíthetők, Sanger szekvenálási technikáival töltött évek helyett.
A következő generációs szekvenálási módszerek nagy volumenű DNS-analízist képesek kezelni anélkül, hogy hozzáadnák az amplifikációt vagy klónozást, hogy elegendő DNS-t kapjanak a szekvenáláshoz. A DNS-szekvenáló gépek egyszerre több szekvenálási reakciót futtatnak, ami olcsóbb és gyorsabb.
Alapvetően az új DNS-szekvenálási technológia Sanger-reakciók százaival fut egy kicsi, könnyen olvasható mikrochipön, amelyet azután a szekvenciát összeállító számítógépes program futtat.
A technika rövidebb DNS-fragmentumokat olvas, de még mindig gyorsabb és hatékonyabb, mint a Sanger szekvenálási módszerei, így még a nagyszabású projektek is gyorsan befejezhetők.
Az emberi genom projekt
A Emberi Genom ProjektA 2003-ban befejezett, az eddig elvégzett egyik leghíresebb szekvenálási tanulmány. A 2018. évi cikk szerint Science News, az emberi genom kb 46 831 gén, amely a szekvencia félelmetes kihívása volt. A világ legjobb tudósai közel tíz évet töltöttek együttműködésben és konzultációban. A Nemzeti Humán Genom Kutatás vezetése
Intézet, a projekt sikeresen felvázolta az emberi genomot anonim véradókból vett összetett mintával.
Az emberi genom projekt a bakteriális mesterséges kromoszóma (BAC-alapú) szekvenálási módszerekre támaszkodott az alappárok feltérképezésére. A módszer baktériumokat használt a DNS-fragmensek klónozására, ami nagy mennyiségű DNS-t eredményezett a szekvenáláshoz. A klónok méretét ezután csökkentik, szekvenáló gépbe helyezik, és az emberi DNS-t képviselő szakaszokba összeállítják.
Egyéb DNS-szekvenálási példák
A genomika új felfedezései alapvetően megváltoztatják a betegségek megelőzésének, felderítésének és kezelésének megközelítését. A kormány milliárd dollárt költött a DNS kutatására. A bűnüldözés az esetek megoldásához DNS-elemzésre támaszkodik. A DNS-tesztelő készletek megvásárolhatók otthoni használatra az ősök kutatására és az olyan génvariánsok azonosítására, amelyek egészségügyi kockázatot jelenthetnek:
A DNS-szekvenálás etikai következményei
Az új technológiák gyakran társadalmi előnyökkel és ártalmakkal járnak; példák lehetnek a hibásan működő atomerőművek és a tömegpusztító nukleáris fegyverek. A DNS-technológiák kockázatokkal is járnak.
A DNS-szekvenálás és a génszerkesztő eszközök, például a CRISPR miatt érzelmi aggodalmak között szerepel a félelem, hogy a technológia megkönnyítheti az emberek klónozását, vagy mutáns transzgénikus állatokhoz vezethet, amelyeket egy gazember tudós létrehozott.
A DNS-szekvenálással kapcsolatos etikai kérdéseknek gyakrabban tájékozott beleegyezésen kell alapulniuk. A közvetlen fogyasztói DNS-tesztekhez való könnyű hozzáférés azt jelenti, hogy a fogyasztók nem értik meg teljesen genetikai információik felhasználását, tárolását és megosztását. Lehet, hogy a laikus emberek érzelmileg nem állnak készen arra, hogy megismerjék hibás génvariánsokat és az egészségügyi kockázatokat.
Harmadik felek, például a munkaadók és a biztosítótársaságok potenciálisan megkülönböztethetik azokat az embereket, akik hibás géneket hordoznak, amelyek súlyos orvosi problémákat okozhatnak.