Innehåll
- Genomik och DNA-sekvensering
- Definition av DNA-sekvensering
- DNA-sekvensering: tidig forskning
- Sangers största ambition var att sekvensera storskaliga hela genom, men att sekvensera en minuscule-bakteriofagens baspar blekade i jämförelse med sekvensering av 3 miljarder baspar i det mänskliga genomet. Men att lära sig att sekvensera hela genomet till en låg bakteriofag var ett viktigt steg mot att sammanfoga hela människornas genom. Eftersom DNA och kromosomer består av miljoner baspar, separerar de flesta sekvenseringsmetoder DNA i små trådar, och sedan delas DNA-segmenten samman; det tar bara tid eller snabba, sofistikerade maskiner.
- Grundläggande om DNA-sekvensering
- Metoder för DNA-sekvensering: Sanger Methods
- En annan spännande utveckling var hagelgevärmetoden som slumpmässigt provade och sekvenserade upp till 700 baspar samtidigt. Sanger är också känd för sin användning av dideoximetoden (dideoxynukleotid) -metoden som sätter in en kedjeavslutande nukleotid under DNA-syntes för att markera DNA-sektioner för analys.
- DNA-sekvenseringssteg
- Framsteg inom DNA-sekvenseringsteknologi
- Projektet Human Genome
- Andra DNA-sekvensexempel
- Etiska implikationer av DNA-sekvensering
Nukleotider är de kemiska byggstenarna i livet och finns i DNA från levande organismer. Varje nukleotid består av ett socker, fosfat och a kväveinnehållande bas: adenin (A), tymin (T), cytosin (C) och guanin (G). Den specifika ordningen för dessa nukleotidbaser avgör vilka proteiner, enzymer och molekyler som ska syntetiseras av cellen.
Att bestämma ordningen eller sekvensen för nukleotider är viktigt för studien av mutationer, evolution, sjukdomsprogression, genetisk testning, kriminalteknisk undersökning och medicin.
Genomik och DNA-sekvensering
Genomics är studien av DNA, gener, geninteraktioner och miljöpåverkan på gener. Hemligheten med att avslöja generens komplexa inre funktioner är att kunna identifiera deras struktur och placering på kromosomer.
Det blåa av levande organismer bestäms av ordningen (eller sekvensen) av nukleinsyrabaspar i DNA. När DNA replikeras, parar adenin med tymin och cytosin med guanin; felaktiga par beaktas mutationer.
Sedan den dubbla helix-deoxiribonukleinsyramolekylen (DNA) konceptualiserades 1953 har dramatiska förbättringar gjorts inom området genomik och storskalig DNA-sekvensering. Forskare arbetar hårt för att tillämpa denna nya kunskap på individualiserad behandling av sjukdomar.
Samtidigt tillåter pågående diskussioner forskare att ligga före de etiska implikationerna av sådana snabbt exploderande tekniker.
Definition av DNA-sekvensering
DNA-sekvensering är processen för att upptäcka sekvensen för olika nukleotidbaser i DNA-utdrag. Hela gensekvensering möjliggör jämförelse av kromosomer och genom i samma och olika arter.
Kartläggning av kromosomer är användbart för vetenskaplig forskning. Analys av mekanismer och struktur för gener, alleler och kromosomala mutationer i DNA-molekyler tyder på nya sätt att behandla genetiska störningar och till exempel stoppa tumörcancer.
DNA-sekvensering: tidig forskning
Frederick Sangers DNA-sekvenseringsmetoder avancerade kraftigt området för genomik från 1970-talet. Sanger kände sig redo att ta itu med DNA-sekvensering efter framgångsrik sekvensering av RNA när han studerade insulin. Sanger var inte den första forskaren som dabbade i DNA-sekvensering. Men hans smarta DNA-sekvenseringsmetoder - utvecklade i takt med kollegorna Berg och Gilbert - fick ett Nobelpris 1980.
Sangers största ambition var att sekvensera storskaliga hela genom, men att sekvensera en minuscule-bakteriofagens baspar blekade i jämförelse med sekvensering av 3 miljarder baspar i det mänskliga genomet. Men att lära sig att sekvensera hela genomet till en låg bakteriofag var ett viktigt steg mot att sammanfoga hela människornas genom. Eftersom DNA och kromosomer består av miljoner baspar, separerar de flesta sekvenseringsmetoder DNA i små trådar, och sedan delas DNA-segmenten samman; det tar bara tid eller snabba, sofistikerade maskiner.
Grundläggande om DNA-sekvensering
Sanger visste det potentiella värdet av sitt arbete och samarbetade ofta med andra forskare som delade hans intressen i DNA, molekylärbiologi och livsvetenskap.
Även om långsam och dyr i jämförelse med dagens sekvenseringsteknologier, lovades Sangers DNA-sekvenseringsmetoder vid den tiden. Efter försök och fel hittade Sanger det hemliga biokemiska ”receptet” för att separera DNA-strängar, skapa mer DNA och identifiera ordningen på nukleotider i ett genom.
Material av hög kvalitet kan lätt köpas för användning i laboratorieundersökningar:
Metoder för DNA-sekvensering: Sanger Methods
Sanger räknade ut hur man skulle skära DNA i små segment med hjälp av enzymet DNA-polymeras.
Han gjorde sedan mer DNA från en mall och satte in radioaktiva spårare i det nya DNA: t för att avgränsa sektioner i de separerade strängarna. Han insåg också att enzymet behövde en grundare som kunde binda till en specifik plats på mallsträngen. 1981 gjorde Sanger igen historia genom att räkna ut genomet av mitokondriellt DNA: s 16 000 baspar.
En annan spännande utveckling var hagelgevärmetoden som slumpmässigt provade och sekvenserade upp till 700 baspar samtidigt. Sanger är också känd för sin användning av dideoximetoden (dideoxynukleotid) -metoden som sätter in en kedjeavslutande nukleotid under DNA-syntes för att markera DNA-sektioner för analys.
DNA-sekvenseringssteg
Temperaturen måste justeras noggrant under sekvenseringsprocessen. Först tillsätts kemikalier till ett rör och värms för att avlägsna (denaturera) den dubbelsträngade DNA-molekylen. Därefter kyls temperaturen, så att primern kan bindas.
Därefter höjs temperaturen för att uppmuntra optimal DNA-polymerasaktivitet (enzym).
Polymeras använder vanligen de tillgängliga normala nukleotiderna, som tillsätts i en högre koncentration.När polymeras kommer till en "kedjeterminerande" färgämnekopplad nukleotid, stoppas polymeraset, och kedjan slutar där, vilket förklarar varför de färgade nukleotiderna kallas "kedjeterminerande" eller "terminatorer."
Processen fortsätter många, många gånger. Så småningom har den färgade kopplade nukleotiden placerats vid varje enskild position i DNA-sekvensen. Gelelektrofores och datorprogram kan sedan identifiera färgfärgerna på var och en av DNA-strängarna och räkna ut hela DNA-sekvensen baserad på färgämnet, färgens position och strängarnas längd.
Framsteg inom DNA-sekvenseringsteknologi
Sekvensering med hög kapacitet - allmänt kallad nästa generations sekvensering - använder nya framsteg och tekniker för att sekvensera nukleotidbaser snabbare och billigare än någonsin tidigare. En DNA-sekvenseringsmaskin kan enkelt hantera stora DNA-sträckor. Faktum är att hela genomerna kan göras inom några timmar istället för år med Sangers sekvenseringstekniker.
Nästa generations sekvenseringsmetoder kan hantera DNA-analys med hög volym utan det extra steget för amplifiering eller kloning för att få tillräckligt med DNA för sekvensering. DNA-sekvenseringsmaskiner kör flera sekvenseringsreaktioner på en gång, vilket är billigare och snabbare.
I grund och botten kör den nya DNA-sekvenseringsteknologin hundratals Sanger-reaktioner på ett litet, lättläsbart mikrochip som sedan körs genom ett datorprogram som monterar sekvensen.
Tekniken läser kortare DNA-fragment, men det är fortfarande snabbare och effektivare än Sangers sekvenseringsmetoder, så även stora projekt kan snabbt slutföras.
Projektet Human Genome
De Human Genome Project, som avslutades 2003, är en av de mest kända undersökningsstudierna som hittills gjorts. Enligt en artikel i 2018 i Science News, det mänskliga genomet består av ungefär 46 831 gener, vilket var en formidabel utmaning att sekvensera. Toppforskare från hela världen tillbringade nästan tio år med att samarbeta och konsultera. Ledd av National Human Genome Research
Institutet, projektet har framgångsrikt kartlagt det mänskliga genomet med hjälp av ett sammansatt prov taget från anonyma blodgivare.
Human Genome Project förlitade sig på bakteriell artificiell kromosom (BAC-baserad) sekvenseringsmetod för att kartlägga baspar. Tekniken använde bakterier för att klona DNA-fragment, vilket resulterade i stora mängder DNA för sekvensering. Klonerna reducerades sedan i storlek, placerades i en sekvenseringsmaskin och monterades i sträckor som representerade humant DNA.
Andra DNA-sekvensexempel
Nya upptäckter inom genomik ändrar kraftigt metoder för förebyggande, upptäckt och behandling av sjukdomar. Regeringen har satsat miljarder dollar på DNA-forskning. Brottsbekämpning förlitar sig på DNA-analys för att lösa ärenden. DNA-testsatser kan köpas för hemmabruk för att undersöka förfäder och identifiera genvarianter som kan utgöra hälsorisker:
Etiska implikationer av DNA-sekvensering
Ny teknik har ofta möjlighet till social nytta och skada. exempel inkluderar funktionsfria kärnkraftverk och massförstörelsevapen. DNA-teknologier medför också risker.
Känslomässiga oro för DNA-sekvensbestämning och genredigeringsverktyg som CRISPR inkluderar rädsla för att tekniken kan underlätta mänsklig kloning, eller leda till mutanta transgena djur skapade av en skurkforskare.
Oftare har etiska frågor relaterade till DNA-sekvensering att göra med informerat samtycke. Enkel åtkomst till DNA-test direkt till konsument innebär att konsumenter kanske inte helt förstår hur deras genetiska information kommer att användas, lagras och delas. Lika människor kanske inte är känslomässigt redo att lära sig om sina defekta genvarianter och hälsorisker.
Tredje parter som arbetsgivare och försäkringsbolag kan potentiellt diskriminera individer som har defekta gener som kan ge upphov till allvarliga medicinska problem.