«ДНК-печать» в облаке

Вакцины, выращенные в головках салата... Резина для автомобильных и авиационных шин, изготовленная из одуванчикового сока...Фармацевтическая «биология», необходимая для борьбы с аутоиммунными заболеваниями, такими как рассеянный склероз, диабет... Современные промышленные ферменты, искусственные полимеры, биотопливо для анаэробного пищеварения... 

При переходе от ДНК к белку у всех этих продуктов определяются их аминокислотная или нуклеотидную последовательности. По-другому этот процесс называется «ДНК-печатью».

Каждый продукт изначально был цифровым геном, представляющим интерес в геномной базе данных в облачном ДНК (Интернет ДНК). Он был зашифрован в коде компьютерной программы, в котором указан точный порядок четырех химических строительных блоков – «нуклеиновых оснований»: A (аденин), Т (тимин), Ц (цитозин) и Г (гуанин). Они расположены вдоль сегмента ДНК, который будет использоваться для превращения этого последовательного компьютерного кода в реальный генетический материал.

Каждый из них оказалcя органической молекулой в лабораторной машине, называемой «синтезатором» и разработанной для использования в производстве белка, открытии лекарств, клинической диагностике и изготовлении полезных коммерческих продуктов.

Новая формула

В процессе печати ДНК геномы растений и животных выстраиваются в определенной последовательности в компьютеризированных устройствах. В этом процессе применяется  гель-электрофорез, благодаря которому геномы из генетического кода превращаются в компьютерный код, загружаются в облачные базы данных (Интернет ДНК) для хранения и анализа, а затем разрабатываются cпомощью компьютерного моделирования с использованием программного обеспечения CAD.

Затем лаборатории загружают цифровые сегменты ДНК для химической сборки искусственной нити ДНК.Она объединена с бактериальной плазмидой (реплицирующийся нехромосомный сегмент ДНК), чтобы стать агентом клонирования молекулы рДНК.

рДНК вставляется в бактерию E.coli хозяина, которая размножается экспоненциально через бинарное деление для развития исходного загруженного генетического фрагмента в виде отдельных клонов ДНК в колонии. Последние  способны вырабатывать большое количество исходного гена для производства продуктов, кодирующихся этим геном.

ДНК-печать основана на естественном потоке генетической информации в клетке от ДНК через РНК к аминокислотам и белкам, от гена к белку, от генома к протеому, от геномики до протеомики. ДНК –это основа жизни. Она объединяет гены, сложные молекулы, которые выполняют большую часть работы в живых организмах.

«ДНК создает РНК, РНК создает белки, белки создают жизнь».

Эта простая формула, которая хорошо работала на Земле в течение, по крайней мере, полумиллиарда лет.  Совсем недавно она превратилась в современную мировую индустрию, основанную на обновленной формуле: «Люди создают ДНК».

ДНК или дезоксирибонуклеиновая кислота является макромолекулой, которая является основным компонентом хромосом, несущих гены. В каждом ядре клетки –

ферментативное вещество, содержащее генетические инструкции развития и функционирования всего живого. Вещество определяет наследование, кодирует белки и составляет загадочное ядро, вокруг которого в значительной степени вращаются наше поведение, желания, страхи и здоровье.

«Самым большим достижением природы на сегодняшний день, безусловно, было изобретение молекулы ДНК», - писал покойный ученый и автор Льюис Томас в своей книге «Жизнь клетки». –«Вся сегодняшняя ДНК, пронизанная через все клетки Земли, является просто расширением и разработкой первой молекулы».

Как ни крути, ДНК – это органическая химическая молекула, состоящая из атомов углерода, водорода, азота, кислорода и фосфора. Тем не менее, из таких обычных компонентов возникают основные строительные блоки нашей физической идентичности.

ДНК позволила нам манипулировать самой ее субстанцией, чтобы создавать формы жизни, которые природа никогда не постигала. Это глубокое развитие обусловлено технологией рДНК и продуцированием рекомбинантного белка в процессе печати ДНК.

Рекомбинантная ДНК и белки

рДНК предполагает способ, которым генетический материал одного организма искусственно вводится геном другого организма, а затем реплицируется и экспрессируется этим другим организмом. Гены, внедренные в чужеродные организмы-хозяева, создают новые генетические комбинации, которые представляют ценность для науки, медицины, сельского хозяйства и многих (если не всех) других областей.

С тех пор, как в 2003 году было завершено картирование генома человека, печать ДНК, технология рДНК и производство рекомбинантных белков стали крупным бизнесом во всем мире. Гены создают белки, которые формируют жизнь, но человечество использует в научных целях и гены, и белки, чтобы заработать деньги.

Согласно отчету GrandViewResearch, опубликованному в прошлом году, объем мирового рынка технологий рДНК, который в 2016 году оценивался в 497,7 миллиардов долларов США, к 2025 - достигнет 844,6 миллиардов долларов (и, вероятно, гораздо больше и намного раньше).

рДНК возможна потому, что молекулы ДНК всех организмов имеют одинаковую химическую структуру и отличаются только нуклеотидными последовательностями в пределах этой идентичной общей структуры. Белки, которые могут возникнуть в результате экспрессии рДНК в живых клетках, называются рекомбинантными белками.

Рекомбинантный белок представляет собой органическую молекулу, кодированную клонированным геном рДНК. Он образуется в результате манипулирования формой белка, генерируемой различными способами для производства большого количества специальных белков, модификации последовательностей генов и производства полезных коммерческих продуктов, таких как ферменты, факторы роста, гормоны, антитела, вакцины и многое другое.

По данным CoherentMarketInsights, мировой рынок производства рекомбинантных белков в 2016 году составлял 347,2 миллиона долларов. Ожидается, что к 2025 году он превысит 593,4 миллиона долларов.

Многие биологические препараты – лекарства или медикаменты, изготовленные из больших, сложных смесей молекул из живых организмов, включая ткани, гены, аллергены, компоненты крови и т. д., являются результатом применения рекомбинантных белков и направлены на конкретные химические вещества или клетки, участвующие в реакциях иммунной системы организма. Биологические препараты требуют одобрения FDA (Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) для коммерческого использования.

Некоторые из наиболее известных биологических препаратов, полученных из рДНК, применяются для лечения ревматоидного артрита и других аутоиммунных заболеваний, таких как псориаз и болезнь Крона. В эту группу медицинских продуктов биологического происхождениявходятлекарства:хумира (адалимумаб), ремикад (инфликсимаб), ритуксан (ритуксимаб) и энбрел (этанерцепт). Телевизионные рекламирующие биопрепараты ролики в последнее время транслировались непрерывно, ориентируясь на стареющее, часто болеющее население.

Рынок биологических медикаментов согласно опубликованному весной отчету «ResearchandMarkets» оценен в 254,9 миллиардов долларов в 2017 году и по прогнозу достигнет 580,5 миллиардов долларов к 2026.

Цифры, упомянутые выше, несомненно перекрывают друг-друга, но денежные средства расходуются в диапазоне сотен миллиардов долларов, ведь технология рДНК и состав рекомбинантного белка привели к появлению множества экзотических продуктов из новых отраслей промышленности, вытекающих из клинических, научно-исследовательских и производственных лабораторий на мировой рынок.

Ничто из этого не было бы возможным без секвенирования человеческого генома, что сделало возможным печать ДНК.

3D печать

Концепция ДНК-печати заимствована из 3D-печати, процесса примесного производства с использованием компьютерного управления для создания трехмерных объектов всех видов. Например, инструментов, игрушек, украшений, скульптур. 5300-летняя замороженная европейская мумия ÖtziIceman была представлена в виде 3D-модели из пластика и смолы.Сегодня есть даже 3D-печатное огнестрельное оружие.

ДНК-печать - это трехмерный примесной процесс, потому что каждая хромосома состоит из двух очень больших молекул ДНК, намотанных друг на друга. Каждая нить является отдельной молекулой.

Процесс производства искусственной ДНК является примесным. ДНК-печать включает использование автоматизированных лабораторных рабочих станций для синтеза (создания и построения), сборки и производства специально созданных участков искусственной ДНК.

Можно ли «напечатать» ДНК? И да, и нет.

При секвенировании ДНК его четыре физико-химических нуклеиновых основания - аденин, тимин, цитозин и гуанин, могут быть представлены буквами A, T, Ц и Г. Это необходимо для построения их последовательного порядка в генах и геноме. Эти буквы могут храниться в памяти компьютера, передаваться в электронном виде и даже при необходимости распечатываться в виде текста.

При синтезе (наращивании) ДНК в искусственный ген он собирается в виде химических веществ на физической структуре, а затем клонируется (копируется), а не «печатается» как при создании письменных материалов.

Полученные генетические материалы используются для разработки продуктов и исследования технических проблем во многих областях науки о жизни, таких как иммунотерапия рака, неврология, вирусология и разработка вакцин, терапевтических антител, исследования биологии растений, биохимия, анализ и манипулирование геномами и многое другое.

Большая часть берет начало из недавних достижений в некогда загадочных, но в настоящее время все более распространенных современных технологиях и технике. Например, в генной инженерии, промышленной биотехнологии, синтетическойивычислительнойбиологиях, компьютерно-прогнозном моделировании, кибергеномике и биоинформатике.

Интернет ДНК – глобальная сеть баз данных, соединенных в облаке по модели одноранговой связи. Он состоит из всемирного массива центров обработки данных, заполненных серверами, хранящими десятки байтов информации о геномах животных, растений и микробов.

Геном «Книга Жизни»

Геномы – это полные наборы хромосом в клетках, содержащие все гены и ДНК организма, в то время как протеом – это полный набор белков, которые встречаются в клетке, ткани или целом организме.

Геном человека по сути наша «книга жизни». В каждой клетке есть 3 миллиарда пар оснований, «букв» ДНК, излагающих рецепт человека. Человеческий геном представляет собой полный набор последовательностей нуклеиновых кислот (ДНК/ РНК) для человека, закодированных в 23 парах хромосом в ядрах клетки (и в небольшой молекуле ДНК, обнаруженной в отдельных митохондриях вне ядра клетки).

Человеческий геном содержит около 20000 генов, участков ДНК, которые кодируют белки. Кодирующий ген состоит из достаточного количества ДНК, чтобы кодировать один белок, но на эти гены приходится всего около 1,2% всего генома, называемого экзом. Остальные 98,8% состоят из так называемых некодирующих молекул ДНК.

Небелковые геномные кодирующие области, не связанные напрямую с получением белков, получили название «отбросы» ДНК. Теперь их считают скорее совершенно густыми джунглями таинственных вещей. Группа ENCODE, проект Национального института исследований генома человека США (NHGRI), произвела потрясающий перечень ранее скрытых переключателей, сигналов и указателей, встроенных как руны по всей длине человеческой ДНК.

Вот, где геном вписывается в живые биологические системы:

Организм> ткань> клетки> клеточное ядро > геном > хромосомы > гены > ДНК/РНК> нуклеотиды (основные строительные блоки ДНК)>пары нуклеиновых оснований (A-T/Ц-Г).

Нуклеотиды являются хребетной стороной спиральной лестницы ДНК с двойной спиралью, и эти стороны связаны друг с другом четырьмя различными типами парных ступеней химической лестницы: аденин-тимин и цитозин-гуанин (также в обратном порядке - T/AГ/Ц).

Первый полный геном ДНК, который был картирован и секвенирован, является геном бактериофага phiX174 в 1977 году. А первый геном растения секвенированв 2000 году. Это был Arabidopsisthaliana, дикий член семейства горчицы. Проект генома человека (HGP), в котором происходило секвенирование 3 миллиардов пар оснований, составляющих человеческий геном, завершен в апреле 2003 года.

Секвенирование привело к синтезу. В 2010 году американский биотехнолог, биохимик, генетик и бизнесмен Дж. Крейг Вентер вместе с коллегами из Института геномных исследований (TIGR) и Института Дж. Крейга Вентера (JCVI) были первыми, кто трансфектировал клетку с синтетической хромосомой, использующей полностью синтезированную ДНК для создания самовоспроизводящегося микроба. Он получил название Mycoplasmalaboratorium.

Перевод статьи с сайта: www.technewsworld.com

Оригинал статьи по ссылке: https://www.technewsworld.com/story/85745.html