大腸菌は遺伝暗号を書き直しました

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ビデオ: 【高校講座 生物基礎】第17講「遺伝暗号表」 2023, 1月
大腸菌は遺伝暗号を書き直しました
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Anonim
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タンパク質フラグメントの遺伝暗号を自然型から「再コード化された」型に置き換えるスキーム。

ハーバード大学、マサチューセッツ工科大学、および他のいくつかのアメリカの機関の生物学者は、大腸菌の遺伝暗号のゲノムワイドな置換に関する研究について話しました。長期的には、これにより、実験室の外で増殖することができず、同時に既存のすべてのウイルスに対して完全に耐性のある特別な「人工」細菌の作成が可能になります。ジョージチャーチが率いるグループの仕事は完全にはほど遠いですが、すでにサイエンスに掲載されています。

遺伝暗号は、遺伝子内のヌクレオチドの配列と、これらの遺伝子に基づいてタンパク質が構築されるアミノ酸との間の対応を決定します。 3ヌクレオチド(コドン)ごとに1つのアミノ酸がコードされています。ヌクレオチドトリプレットには64のバリアントがあり、タンパク質には20の塩基性アミノ酸しかないため、コドンの多くは同義語です。つまり、同じアミノ酸をコードします。

著者のアイデアは、いくつかの(ほとんどの場合まれな)コドンをそれらの同義語に置き換え、これを本格的な細菌のゲノム全体で行うことでした。そのような細菌はいくつかの興味深い特性を持っているでしょう。たとえば、捨てられたコドンの数が十分に多い場合(少なくとも3つ以上)、ウイルスの遺伝情報が単に「読み取れなくなる」ため、既存のウイルスに対して完全に耐性があります。したがって、生物工学的応用にとって重要である、有用であるが「適応された」遺伝情報を外部環境(抗生物質耐性のための遺伝子など)から受け取ることはできないだろう。さらに、人工の、天然に存在しないアミノ酸および化学基を、例えば、いくつかの新薬または工業物質の合成のために、そのような細菌のタンパク質に導入することができる。さらに、これは、毎回システムを新たに開発することなく、標準的な分子生物学的方法を使用して行うことができます。

このような細菌を作成することの難しさは、ゲノム全体で選択されたDNAトリプレットを置き換える必要があるという事実にあり、これは1つの遺伝子ではなく、ゲノム全体に対して行う必要があります。以前は、コドンを置き換えるための同様の作業がすでに行われていました(Churchのグループによるものを含む-科学者はE.coliゲノムから終止コドンの1つを削除しました)が、それらの規模ははるかに小さかった。しかし、この研究で計画されているように、ゲノム全体の7つのコドンの置換に関しては、これは非常に多くの変更(148955ヌクレオチド置換)の導入を必要とするだけでなく、さまざまな予期せぬ悪影響。ストップのみで作業する場合、コドンはありません。

作業は以下のように行った。科学者たちは、それらを認識するtRNAとともに除去できる7つの十分にまれなコドンを選択しました。次に、著者は、既知のゲノム配列(最小化された「精製」バージョンの大腸菌ゲノムを使用)に基づいて、排出されたコドンをそれらの同義語に置き換えることを可能にするプログラムを作成しました。

代替品を選択する際には、生物の生存率に影響を与える可能性のある多くの要因が考慮されました。科学者は、元のDNAの重要な特性を予測し、最大限に保存しようとしました。たとえば、プログラムはGCヌクレオチドの比率を修正し(DNAの機械的剛性などに影響を与えます)、リボソーム侵入部位とそれが二次構造を形成するメッセンジャーRNA内の場所を保存しました。

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ゲノムが部分的に置換された細菌の増殖速度。個別の合成セグメントを持つ株が表示されます。ポイントが高いほど、セグメントはより「壊れています」。

その結果、プログラムは数千の編集されたフラグメントを生成しました。これらのフラグメントは、すでに化学的に合成されて、2〜4千塩基の長さの鎖になっています。これらの断片は酵母に入れられ、そこで組換えを使用して新しいゲノムの55の大きなセグメントがそれらから組み立てられました。次に、大きなセグメントのそれぞれを「通常の」大腸菌で個別にテストしました。科学者は、ゲノムの天然部分を遺伝暗号が変更された合成部分に置き換えると、細菌の増殖がどれだけ遅くなるかを確認しました。さらに、予想通り、コンピューター予測の有効性が不十分な場合もありました。インシリコでは見つからなかった重要な領域が置き換えられたため、多くのセグメントが細菌で「機能しませんでした」。私たちは彼らと「手動で」協力しなければなりませんでした。

その結果、出版時点で、科学者は合成ゲノムの63%(rE.coli-57と名付けられました)の操作性を確認し、テストされた遺伝子の91%が操作性を保持していました。しかし、合成ゲノムの研究はまだ終わっていません(おそらく財政難のため)。著者らは、プロジェクトの総費用を100万ドルと見積もっています。

深い分子生物学レベルでの天然微生物の改良は合成生物学に属し、現在さまざまな方法で進んでいます。たとえば、科学者は、コドン(1980年代後半にシュルツの研究で始まった)を置き換えることに加えて、新しい完全に合成された塩基対をゲノムに挿入しようとしています。これにより、DNAの情報容量が拡大し、遺伝暗号。別の方法は、たとえば、完全に合成された最小ゲノムを持つ細菌の作成について最近報告したCraig VenterInstituteです。この作品の詳細については、こちらをご覧ください。

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