Informace

Co dělá DNA šroubovicovou?


Proč není DNA jako RNA; proč není RNA jako DNA, tedy spirálovitá? Proč jsou řetězce RNA rovné?


Tvar šroubovice molekuly DNA je důsledkem její sekundární struktury. Jedná se o báze obsažené v molekule, které se párují, čímž se určuje terciární struktura [1].

K párování základních párů dochází také v RNA, takže může tvořit dvojitou šroubovici. Ve skutečnosti se RNA skládá z krátkých šroubovic zabalených dohromady [2]. Páry bází udržují šroubovicovou strukturu DNA bez ohledu na nukleotidovou sekvenci [3].

Vlákno nukleové kyseliny se skládá z nukleotidů spojených kovalentními vazbami mezi cukrem jednoho nukleotidu a fosfátem druhého. Páry adenin s thyminy a páry cytosinů s guaninem vodíkovými vazbami a tvoří dvouvláknovou strukturu [3]. Protože kovalentní vazby jsou silnější než vodíkové vazby, dvojitá šroubovicová struktura DNA se snadno rozbije teplem [4], ale nukleotidy zůstanou spojeny dohromady.

Zde je molekula tRNA (vidíte, že má krátké šroubovice):


„TRNA -Phe kvasnice 1ehz“ od Yikrazuul - vlastní práce. Licencováno pod CC BY-SA 3.0 prostřednictvím Wikimedia Commons.

Zde je struktura DNA:


(zdroj: wikimedia.org)
„ADN animation“ od brian0918 ™ - vlastní práce. Licencováno pod veřejným vlastnictvím prostřednictvím Wikimedia Commons.


Reference:

  1. Přispěvatelé Wikipedie, „Dvojitá šroubovice nukleové kyseliny“, Wikipedie, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nucleic_acid_double_helix&oldid=609435163 (přístup 26. června 2014).

  2. Přispěvatelé Wikipedie, „RNA“, Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=RNA&oldid=612056511 (přístup 26. června 2014).

  3. Přispěvatelé Wikipedie, „DNA“, Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=DNA&oldid=611891356 (přístup 26. června 2014).

  4. Přispěvatelé Wikipedie, „Termodynamika nukleových kyselin“, Wikipedie, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nucleic_acid_thermodynamics&oldid=606379256 (přístup 26. června 2014).


RNA (jednovláknová nebo dvouvláknová) ve skutečnosti může a tvoří šroubovici při absenci určitých komplexních 3D struktur. Šroubovice RNA je typicky A-forma, na rozdíl od B-formy pro typickou DNA. Šroubovice tvaru A je pravostranná jako forma B, ale je kompaktnější (vzestup 2,6 Á oproti 3,4 Á) a širší (průměr 26 Á proti 20 Á). Rozdílné šroubovice pocházejí z 2'-OH přítomného v RNA, která stericky brání tvorbě šroubovice ve tvaru B (zúžením ribózy na C-3 'endo pucker).


[Z Wikipedie. Dvouvláknové DNA šroubovice. A-forma je vlevo, B-forma uprostřed a Z-forma vpravo. Existují i ​​jiné formy, které zde nejsou znázorněny.]


[Z Wikipedie. Vlásenková smyčka (výsledek párování intrastranních bází v jediné molekule RNA), která přijala šroubovici ve tvaru A.]


[Jen zdůrazňujeme, že jednovláknová nukleová kyselina, i bez sekundární struktury, také tvoří šroubovice.]


Helixe DNA i RNA se tvoří ve vodném roztoku kvůli hydrofobní a aromatické (což také implikuje planární) povaze samotných bází. Vytvořením šroubovice se báze v rámci jednoho vlákna přiblíží k sobě, což je termodynamicky příznivější z důvodu stohování interakcí mezi konjugovanými kruhovými systémy a také vyloučením vody z jejich hydrofobních povrchů (což tedy zvyšuje entropii).


Jak vyrobit dvojitou šroubovici DNA ze želé dětí a lékořice

Před šedesáti lety dnes časopis Nature publikoval jednostránkový článek obsahující osamělou postavu dvou propletených stuh. Tento obrázek nebo jeho verze jsou nyní tak známé, že jsou pravděpodobně nejuznávanější chemickou strukturou. Článek samozřejmě popisoval dvojitou šroubovici deoxyribonukleové kyseliny nebo DNA.

V roce 1953 bylo již nějakou dobu známo, že DNA nese genetickou informaci a že ji obsahují všechny organismy. Extrahovat DNA je ostatně snadné (vyzkoušejte si to sami s receptem na konci tohoto článku). Neznámá byla 3D struktura molekuly, a tedy jak dokázala uchovat všechny tyto genetické informace.

Vyřešení hádanky bylo v té době největší cenou molekulární biologie a velký Linus Pauling (vítěz dvou Nobelových cen, jedné za chemii a druhé za mír) již publikoval strukturu dříve v roce 1953. Bohužel pro něj některé přehlédl docela základní chemie a přijít s úplně nemožnou strukturou.

Foto 51: Rentgenový difrakční snímek, který vedl k objevu dvojšroubovicové struktury DNA. Fotografie: King's College London

Mezitím James Watson a Francis Crick zakládali svou práci na rentgenovém difrakčním snímku Rosalind Franklin a Raymond Gosling, známý jako fotografie 51.

Obraz Franklina a Goslinga je skvrnitý kříž, ze kterého je těžké vidět, jak byla vypočtena struktura DNA. Ale Franklinovi a společnosti to pozitivně vykřiklo „helix“.


Proč se extra šroubovice stává třetím kolem v buněčné biologii

Každý student biologie na střední škole ví, že struktura DNA je dvojitá šroubovice, ale poté, co se DNA převede na RNA, se části RNA také běžně skládají do stejného tvaru točitého schodiště.

V doslovném vědeckém zvratu vědci nacházejí příklady třetího vlákna, které se ovíjí kolem RNA jako had, což je struktura, která se v přírodě vyskytuje jen zřídka. Výzkumníci nedávno objevili důkazy o tvorbě trojité šroubovice na konci MALAT1, řetězce RNA, který nekóduje proteiny. Postgraduální kolegyně Yale Jessica Brown a její kolegové pracující v laboratořích Joan A. Steitz a Thomas A. Steitz popisují pouta, která udržují strukturu vzácné trojité šroubovice.

Toto extra vlákno RNA, které je vidět v doprovodném filmu, zabraňuje degradaci MALAT1. Vytvoření trojité šroubovice vysvětluje, jak se MALAT1 akumuluje na velmi vysoké hladiny v rakovinných buňkách, což umožňuje MALAT1 podporovat metastázy rakoviny plic a pravděpodobně dalších rakovin.

Práce je publikována v časopise Přírodní strukturální a molekulární biologie.


Obrázek 2. DNA má antiparalelní strukturu dvojité šroubovice, nukleotidové báze jsou vodíkově spojeny dohromady a každé vlákno doplňuje druhé. DNA je replikována polokonzervativním způsobem, každé vlákno je použito jako templát pro nově vytvořené vlákno.

Replikace DNA

Poté, co jsme stanovili některé základní strukturální rysy a potřebu semi-konzervativního mechanismu, je důležité začít rozumět některým věcem, které jsou o procesu známé, a zamyslet se nad tím, jaké otázky by člověk mohl chtít zodpovědět, aby lépe porozuměl tomu, co se děje. na.

Protože replikace DNA je proces, můžeme vyvolat rubriku energetického příběhu, abychom o tom přemýšleli. Připomeňme si, že rubrika energetického příběhu nám má pomoci systematicky přemýšlet o procesech (jak věci jdou od A do B). V tomto případě je předmětný proces počínaje jednou dvouvláknovou molekulou DNA a končí dvěma dvouvláknovými molekulami. Položíme si tedy různé otázky: Jak vypadá systém na začátku (hmota a energie) replikace? Jak se v systému přenáší hmota a energie a co přenosy katalyzuje? Jak systém vypadá na konci procesu? Můžeme také klást otázky týkající se konkrétních událostí, které se MUSÍ během procesu stát. Například, protože DNA je dlouhá molekula a někdy je kruhová, můžeme si položit základní otázky typu, kde začíná proces replikace? Kde to končí? Můžeme si také klást praktické otázky týkající se postupu, jako například: Co se stane, když se odmotá dvouvláknová struktura?

Zvažujeme některé z těchto klíčových otázek v textu a ve třídě a doporučujeme vám, abyste udělali totéž.

Požadavky na replikaci DNA

Začněme seznamem některých základních funkčních požadavků na replikaci DNA, které můžeme odvodit pouhým zamyšlením nad procesem, který se musí stát a/nebo být vyžadován, aby replikace proběhla. Co tedy potřebujeme?

& bull Víme, že DNA se skládá z nukleotidů. Pokud se chystáme vytvořit nový řetězec, budeme potřebovat zdroj nukleotidů.
& bull Můžeme usoudit, že vybudování nového řetězce DNA bude vyžadovat zdroj energie a mdashwe by se měl pokusit toto najít.
& bull Můžeme usoudit, že musí existovat proces pro nalezení místa, kde začít replikaci.
& bull Můžeme usoudit, že bude existovat jeden nebo více enzymů, které pomáhají katalyzovat proces replikace.
& bull Můžeme také dovodit, že jelikož se jedná o biochemický proces, dojde k některým chybám.

Přehled struktury nukleotidů

Připomeňme si některé základní strukturní rysy nukleotidových stavebních bloků DNA. Nukleotidy začínají jako nukleotid trifosfáty. Nukleotid se skládá z dusíkaté báze, deoxyribózy (pět uhlíkového cukru) a fosfátové skupiny. Nukleotid je pojmenován podle své dusíkaté báze, puriny, jako je adenin (A) a guanin (G), nebo pyrimidiny, jako je cytosin (C) a thymin (T). Připomeňme si níže uvedené struktury. Všimněte si, že nukleotid adenosintrifosfát (ATP) je prekurzorem deoxyribonukleotidu (dATP), který je začleněn do DNA.

Obrázek 3. Každý nukleotid se skládá z cukru (ribózy nebo deoxyribózy v závislosti na tom, zda vytváří RNA nebo DNA), fosfátové skupiny a dusíkaté báze. Puriny mají dvojitou kruhovou strukturu se šestičlenným kruhem fúzovaným s pětičlenným kruhem. Pyrimidiny jsou menší, mají jedinou šestičlennou prstencovou strukturu. Atomy uhlíku cukru s pěti uhlíky jsou očíslovány 1 ', 2', 3 ', 4' a 5 '(1' se čte jako & ldquoone prime & rdquo). Fosfátový zbytek je připojen k hydroxylové skupině 5 'uhlíku jednoho cukru jednoho nukleotidu a hydroxylové skupině 3' uhlíku cukru dalšího nukleotidu, čímž se vytvoří 5'-3 'fosfodiesterová vazba.

Zahájení replikace

Kde v DNA začíná replikační aparát replikace DNA?

Jak miliony, ne -li miliardy nukleotidů zkopírovat, jak DNA polymeráza ví, kde začít? Není překvapením, že tento proces není náhodný. Existují specifické nukleotidové sekvence zvané počátky replikace po délce DNA, na které začíná replikace. Jakmile je tento web identifikován, nastává problém. Dvojitá šroubovice DNA je držena pohromadě interakcemi stohování bází a vodíkovými vazbami. Pokud má být každý řetězec čten a kopírován jednotlivě, musí existovat nějaký mechanismus zodpovědný za pomoc při oddělení těchto dvou vláken od sebe navzájem. Energeticky se jedná o endergonický proces. Odkud pochází energie a jak je tato reakce katalyzována? Základní úvaha by v tomto bodě měla vést k hypotéze, že je pravděpodobně zapojen proteinový katalyzátor, a tento enzym buď vytvoří nové vazby, které jsou energeticky příznivější (exergonické) než vazby, které přeruší A/NEBO je schopen spojit použití externího zdroje energie, který pomůže oddělit vlákna.

Ukazuje se, že detaily tohoto procesu a zahrnuté proteiny se liší v závislosti na konkrétním daném organismu a mnoho detailů na molekulární úrovni musí být ještě zcela pochopeno. Existují však některé společné rysy replikace eukaryot, bakterií a archea a jedním z těchto rysů je, že do replikace DNA je zapojeno několik různých typů proteinů. Za prvé, proteiny obecně nazývané "iniciátory" mají schopnost vázat DNA v počátcích replikace nebo v jejich blízkosti. Interakce iniciátorových proteinů s DNA pomáhá destabilizovat dvojitou šroubovici a také pomáhá získávat další proteiny, včetně enzymu nazývaného DNAhelikáza k DNA. V tomto případě se zdá, že energie potřebná k destabilizaci dvojité šroubovice DNA pochází z vytvoření nových asociací mezi DNA a iniciátorovými proteiny a samotnými proteiny. Helikáza DNA je protein s více podjednotkami, který je důležitý v procesu replikace, protože spojuje exergonickou hydrolýzu ATP s odvíjením dvojité šroubovice DNA. Do iniciačního komplexu (sbírka proteinů zapojených do iniciace transkripce) musí být přijaty další proteiny. Patří sem, ale bez omezení na ně, další enzymy zvané primasea DNA polymeráza. Zatímco iniciátory jsou ztraceny brzy po zahájení replikace, zbytek proteinů pracuje ve shodě k provedení procesu replikace DNA. Tento komplex enzymů funguje na tzv. Strukturách ve tvaru Y v DNA replikační vidlice (Obrázek 4). Pro jakoukoli replikační událost mohou být v každém počátku replikace vytvořeny dvě replikační vidlice, rozšiřující se v obou směrech. Na eukaryotických chromozomech a některých archeach lze nalézt více původů replikace, zatímco genom bakterie, E-coliZdá se, že kóduje jeden počátek replikace.

Proč by různé organismy měly různý počet počátků replikace? Jaký by mohl být přínos mít více než jednoho? Existuje nějaká nevýhoda mít více než jednu?

Vzhledem k tomu, co se musí stát v počátcích replikace, můžete pomocí logiky odvodit a navrhnout k diskusi některé potenciální rysy, které odlišují počátky replikace od jiných segmentů DNA?

Obrázek 4. Na počátku replikace se vytvoří bublina replikace. Replikační bublina se skládá ze dvou replikačních vidlic, z nichž každá cestuje v opačných směrech podél DNA. Rozumí se, že replikační vidlice zahrnují všechny enzymy potřebné pro replikaci& mdashprostě nejsou na obrázku explicitně nakresleny, aby poskytly prostor pro ilustraci vztahů mezi templátem a novými vlákny DNA.
Uvedení: původní obrázek týmu BIS2A

Prodloužení replikace

Roztavení dvojité šroubovice DNA a sestavení komplexu replikace DNA je jen prvním krokem v procesu replikace. Nyní je třeba začít s procesem vytváření nového vlákna. Zde narážíme na další výzvy. První zřejmý problém spočívá v určení, které ze dvou řetězců by mělo být kopírováno na jakékoli replikační vidlici (tj. Který řetězec bude sloužit jako šablona pro semi-konzervativní syntézu? Jsou obě vlákna stejně životaschopnými alternativami?). Existuje také problém skutečně zahájit proces syntézy nového vlákna. Může DNA polymeráza sama iniciovat nové vlákno? Odpověď na posledně uvedenou otázku a některé důvody a důsledky budou diskutovány později. Klíčovou myšlenkou, kterou je třeba v tomto okamžiku poznamenat, je, že bylo experimentálně stanoveno, že DNA polymeráza NEMŮŽE sama zahájit syntézu vláken. DNA polymeráza spíše vyžaduje krátký úsek dvouvláknové struktury následovaný jednovláknovým templátem. Vytvoření krátkého oligonukleotidu se provádí pomocí enzymu primase. Tento protein vytváří krátký polymer RNA (nikoli DNA) nazývaný a základní nátěr (ty jsou znázorněny krátkými zelenými čarami na obrázcích výše a níže), které může DNA polymeráza použít k nukleaci nového rostoucího vlákna.

Během procesu prodlužování vlákna se DNA polymeráza polymerizuje nový kovalentně spojený řetězec nukleotidů DNA (v bakteriích lze tento specifický enzym v eukaryotech nazývat DNA polymeráza III, nomenklatura polymerázy je složitější a role několika proteinů polymerázy není zcela objasněna). Ukazuje se, že jeden z pramenů je upřednostňován výhradně před druhým, aby sloužil jako šablona. DNA polymeráza "provleče" templátový řetězec od 3 'do 5' a syntetizuje nové vlákno ve směru 5 'až 3'. Hypotézy k vysvětlení tohoto univerzálního pozorování se obvykle soustřeďují kolem energetiky spojené s přidáním nového nukleotidu a argumentů spojených s opravou DNA, které si popíšeme brzy. Uvažujme tedy krátce o reakci zahrnující přidání jediného nukleotidu. Primer poskytuje důležitý 3 'hydroxyl, na kterém má začít syntéza. Další deoxyribonukleotid trifosfát vstupuje do vazebného místa DNA polymerázy a, jak je znázorněno na obrázku 5 níže, je orientován polymerázou tak, že může dojít k hydrolýze 5 'trifosfátu, uvolněním pyrofosfátu a spojením této exergonické reakce se syntézou fosfodiesterová vazba mezi 5 'fosfátem přicházejícího nukleotidu a 3' hydroxylovou skupinou primeru. Tento proces lze opakovat, dokud nedojde deoxyribonukleotid trifosfát nebo dokud replikační komplex nevypadne z DNA. Ve skutečnosti DNA polymeráza přidává fosfátovou skupinu (5 ') z přicházejícího nukleotidu ke stávající hydroxylové skupině (3') dříve přidaného nukleotidu.

Správné párování bází nebo výběr správného nukleotidu, který se má přidat v každém kroku, se provádí strukturálními omezeními pociťovanými DNA polymerázou a energeticky příznivými vodíkovými vazbami vytvořenými mezi komplementárními nukleotidy. Proces je energeticky řízen hydrolýzou přicházejícího 5 'trifosfátu a energeticky příznivými interakcemi vytvořenými inter-nukleotidovými interakcemi v rostoucí dvojité šroubovici (skládání bází a komplementární párování vodíkových vazeb). Energie přidávání nukleotidů technicky nevylučuje růst vlákna ve směru 3 'až 5', klíčový rozdíl v tomto schématu spočívá v tom, že energie a zdroj quotes pro syntézu bude muset pocházet z nukleotidu již začleněného do rostoucího vlákna než nový příchozí nukleotid (což by mohla být důležitá selektivní nevýhoda je stručně diskutována). Poté, co začalo prodlužování, přichází jiná DNA polymeráza (v bakteriích se tomu obvykle říká DNA polymeráza I), aby se odstranil primer RNA a syntetizoval se zbývající kousek chybějící DNA.

Jak bude podrobněji diskutováno ve třídě, pohyb replikační vidlice indukuje navíjení DNA v obou směrech replikace. Další enzym spotřebovávající ATP zvaný topoizomeráza pomáhá tento stres zmírnit.

Obrázek 5. DNA polymeráza katalyzuje adici 5 'fosfátové skupiny z příchozího nukleotidu na 3' hydroxylovou skupinu předchozího nukleotidu. Tento proces vytváří mezi nukleotidy fosfodiesterovou vazbu, zatímco hydrolyzuje fosfoanhydridovou vazbu v nukleotidu.
Zdroj: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m. h16/elong.html

Vytvořte energetický příběh pro přidání nukleotidu na polymer, jak je znázorněno na obrázku výše. To bude explicitní učební cíl některých vašich instruktorů BIS2A.

Vedoucí a zaostávající vlákno

Výše uvedená diskuse o prodloužení vlákna popisuje proces syntézy nového vlákna, pokud se toto vlákno náhodou syntetizuje stejným směrem, jakým se replikační vidlice pohybuje nebo se zdá, že se pohybuje podél DNA. Toto vlákno lze syntetizovat nepřetržitě a nazývá se vedoucí vlákno. Obě vlákna původní dvojité šroubovice DNA však musí být zkopírována. Vzhledem k tomu, že DNA polymeráza může syntetizovat DNA pouze ve směru 5 'až 3', musí polymerace vlákna opačného k vedoucímu řetězci probíhat v opačném směru, než se pohybuje helikáza neboli přední část replikační vidlice. Tento pramen se nazývá zaostávající vlákno, a vzhledem k geometrickým omezením musí být syntetizovány pomocí řady aktivací RNA a syntéz DNA do krátkých segmentů zvaných Okazaki fragmenty. Jak již bylo uvedeno, zahájení syntézy každého Okazakiho fragmentu vyžaduje primázu pro syntézu RNA primeru a každý z těchto RNA primerů musí být nakonec odstraněn a nahrazen DNA nukleotidy jinou DNA polymerázou. Kovalentní vazby mezi každým z Okazakiho fragmentů nemohou být vytvořeny DNA polymerázou, a proto je musí tvořit ještě další enzym zvaný DNAligáza. Geometrii syntézy zaostávajících vláken je obtížné si představit a bude probrána ve třídě.

Obrázek 6. Zpožďující vlákno je vytvořeno ve více segmentech. Replikační vidlička ukazuje vedoucí a zaostávající vlákno. Replikační bublina ukazuje vedoucí a zaostávající vlákna.
Původní obrázek týmu BIS2A


Právě bylo oznámeno partnerství mezi dvěma kalifornskými firmami, Codexis CDXS a Molecular Assemblies, zaměřené na radikální nový způsob psaní DNA. Toto partnerství přichází v rozkvětu pro průmysl syntetické biologie, který se snaží využít DNA k vytvoření všeho od protilátek proti COVID-19 až po nové možnosti ukládání dat s vysokou hustotou.

Syntéza DNA je již žhavým trhem. Twist Bioscience, výrobce genů, zaznamenal od IPO na konci roku 2018 téměř trojnásobek akcií. Ve stejném roce společnost Danaher získala Integrated DNA Technologies za údajně 1,8 miliardy dolarů. Veškerý tento nedávný úspěch je však založen na desítky let staré metodě tisku DNA, která zasvěcenci přiznávají, je dosti omezená.

Dnešní tvůrci DNA stále vytvářejí své produkty pomocí chemie. K vytvoření nové dvojité šroubovice jsou jednotlivá písmena DNA - přezdívaná A, T, C a G - spojena dohromady pomocí procesu zvaného fosforamiditová syntéza. Ačkoli byl proces v průběhu let vylepšován, stále vyžaduje drsná rozpouštědla, která omezují kvalitu konečného produktu. Tato rozpouštědla se také stávají škodlivým odpadem.

Letmý pohled na biologii dokazuje, že jednoznačně existuje lepší způsob. Vaše vlastní buňky vytvářejí DNA nepřetržitě a dělají to bez agresivních chemikálií. Kopie DNA, které produkují, jsou milionkrát delší a podstatně přesnější, než jaké může v současnosti jakákoli firma získat chemickou syntézou. Tato síla vytvářet obrovské množství vysoce kvalitní DNA umožňuje složitost života a pokud by byla využita, transformovala by globální výrobu otevřením stavidel před inovacemi syntetické biologie ve farmaceutickém, textilním, zemědělském a pokročilém materiálovém odvětví.

Díky omezením dodavatelského řetězce v centru pozornosti získává trh s průmyslovými kovy v Atlantě 20 milionů dolarů na expanzi

Forbes 2021 Seznam miliard nových startupů: Nominace jsou otevřené

Nová technologie by mohla odhalit tajemství každého proteinu v těle

Biotechnologové už léta touží vytvořit DNA stejným způsobem jako biologie - pomocí enzymů. Tyto stroje v nano měřítku, které jsou produkty genů, se specializují na shromažďování menších chemikálií kolem sebe. Zvláště jeden typ enzymu, nazývaný polymeráza, má jedinečnou schopnost spojovat písmena DNA do dlouhých řetězců.

Podniky jako Molecular Assemblies se sídlem v San Diegu přizpůsobují polymerázové enzymy k vytváření vlastních molekul DNA. Mají na tuto věc 24 patentů a tvrdí, že již mají potenciál produkovat řetězce DNA, které jsou až 50krát delší než konkurence. Dokonce začali aplikovat svou technologii na výzvu ukládání dat DNA.

Codexis se sídlem v Bay Area se specializuje na zlepšování enzymů pro průmyslové použití. Jak jsem již psal dříve, používají pokročilý počítačový software, aby přišli s vylepšenými enzymy, které mohou pomoci při vytváření ohromující řady produktů, včetně kanabinoidů, bioplastů, biopaliv a dokonce i farmaceutických léků.

Podle nové smlouvy nakoupí Codexis akcie společnosti Molecular Assemblies ve výši 1 milion USD. To je jasná výhra pro obě společnosti: Hlavní činnost Molecular Assemblies je založena na enzymech a v Codexis získávají partnera, který se specializuje na enzymové inženýrství. Codexis také těží, protože získává podíl na lukrativním a rozvíjejícím se poli enzymatické syntézy DNA.

Z těchto pohybů nakonec těží také celé odvětví syntetické biologie. DNA vyrobená enzymy by byla přínosem pro jakoukoli společnost-velkou i malou-, která se chce podílet na úsilí 21. století o vybudování lepší, zelenější a efektivnější ekonomiky s biologií.

Pro vnitřní naběračku na enzymatickou syntézu DNA a co to znamená pro celou biotechnologii. [+] průmyslu, hovořil jsem s generálním ředitelem Molecular Assemblies Michaelem Kamdarem a generálním ředitelem Codexis Johnem Nicolsem o tom, že se technologie stane komerčním úspěchem.

Podívejte se na můj rozhovor s generálním ředitelem společnosti Molecular Assemblies Michaelem Kamdarem a generálním ředitelem Codexis Johnem Nicolsem o dopadu enzymatické syntézy DNA a o tom, co tato dohoda znamená pro průmysl.

Sledujte mě na Twitteru na adrese @johncumbers a @synbiobeta. Přihlaste se k odběru mých týdenních zpravodajů o syntetické biologii. Děkuji Ian Haydon pro další výzkum a podávání zpráv v tomto článku. Jsem zakladatelem SynBioBetaa některé ze společností, o kterých píši - včetně Molecular Assemblies a Codexis - jsou sponzory Konference SynBioBeta a týdenní přehled. Zde je úplný seznam sponzorů SynBioBeta. Jsem také provozním partnerem DCVC, která investovala do Molecular Assemblies.


Vzdálenost mezi dvěma po sobě následujícími páry párů je 0,34 nm (0,34 x 10-9 m) dvojité šroubovice DNA v typické savčí buňce. Když se celkový počet párů bází vynásobí vzdáleností mezi dvěma po sobě následujícími páry párů (6,6 × 10 9 × 0,34 × 10-9 m/bp), je délka dvojité šroubovice DNA přibližně 2,2 m. (Celková délka dvojité šroubovicové DNA = celkový počet párů bází × vzdálenost mezi dvěma po sobě následujícími páry bází).

Pokud je délka DNA E. coli 1,36 mm, počet párů bází v E. coli je 4 × 106 bp (1,36 × 103 m/0,34 × 10-9). Délka dvojité šroubovice DNA je mnohem větší než rozměr typického savčího jádra (přibližně 10 -6 m). Jak je v buňce zabalen tak dlouhý DNA polymer?

Chromozomy jsou nositeli genů, které jsou zodpovědné za různé znaky z generace na generaci. Du Praw (1965) navrhl jednovláknový model (unineme) jako dlouhou stočenou molekulu, která je v eukaryotech spojena s histonovými proteiny. Rostliny a zvířata mají více DNA než bakterie a musí tuto DNA složit, aby se vešla do buněčného jádra.

U prokaryot, jako je E. coli, ačkoli nemají definované jádro, DNA není rozptýlena po celé buňce. DNA (s negativním nábojem) je držena s některými proteiny (které mají pozitivní náboje) v oblasti zvané nukleoid. DNA jako nukleoid je organizována do velkých smyček držených bílkovinami. DNA prokaryot je téměř kruhová a postrádá organizaci chromatinu, proto se nazývá genofor.

V eukaryotech je tato organizace mnohem složitější. Chromatin je tvořen řadou opakujících se jednotek nazývaných nukleozomy. Kornberg navrhl model pro nukleosom, ve kterém jsou 2 molekuly čtyř histonových proteinů H2A, H2B, H3 a H4 organizovány tak, aby vytvořily jednotku osmi molekul nazývaných histonová oktamera. Negativně nabitá DNA je obalena kolem pozitivně nabité histonové oktamery za vzniku struktury zvané nukleosom.

Typický nukleosom obsahuje 200 bp šroubovice DNA. Histonové oktamery jsou v těsném kontaktu a DNA je navinuta na vnější straně nukleozomu. Sousední nukleosomy jsou spojeny linkerovou DNA (H1), která je vystavena enzymům. DNA provede dvě kompletní otočení kolem histonových oktamerů a dvě otáčky jsou utěsněny molekulou H1. Chromatin postrádající H1 má vzhled kuliček na provázku, ve kterém je DNA
vstupuje a opouští nukleosomy na náhodných místech. H1 jednoho nukleozomu může interagovat s H1 sousedních nukleozomů, což má za následek další skládání ohně.

Fosfor chromatinu v interfázových jádrech a mitotických chromozomech má průměr, který se pohybuje mezi 200-300 nm a představuje neaktivní chromatin. 30 nm oheň vzniká skládáním nukleozomů, řetězců do solenoidové struktury, která má šest nukleosomů za otáčku. Tato struktura je stabilizována interakcí mezi různými molekulami H1. DNA je solenoid a obsahuje asi 40 záhybů.

Hierarchická povaha struktury chromozomů je znázorněna na (obr. 5.3). Další sada proteinů je vyžadována pro balení chromatinu na vyšší úrovni a jsou označovány jako nehistonové chromozomální proteiny (NHC). V typickém jádru jsou některé oblasti chromatinu volně zabalené (lehce obarvené) a označují se jako euchromatin. Chromatin, který je pevně zabalen (zbarvený tmavě), se nazývá heterochromatin. Euchromatin je transkripčně aktivní a heterochromatin je transkripčně neaktivní.


Nastavení experimentu

Matt a Frank

Abychom rozlišili mezi polokonzervativními, konzervativními a disperzními modely replikace DNA popsanými výše, potřebovali jsme metodu, která by dokázala rozeznat rozdíl mezi rodičovským a dceřiným řetězcem DNA. Obrázky 2, 4 a 5 ilustrují rodičovský a nově syntetizovaný řetězec s různými barvami. Potřebovali jsme však najít skutečný fyzický rozdíl, který by sloužil stejné funkci rozlišování mezi starou a nově syntetizovanou DNA. Matt měl nápad rozlišit starou a novou DNA tím, že je bakterie syntetizuje různými izotopy a oddělí je v odstředivce podle jejich hustoty. Pokud by původní a nově syntetizované DNA mohly být vyrobeny z materiálů s různou hustotou, pak bychom snad mohli změřit tento fyzický rozdíl. V další části budeme diskutovat o chemikáliích, které byly použity k tomu, aby byla DNA těžší nebo lehčí.

Naší experimentální myšlenkou bylo pěstovat organismus v chemickém médiu, které by ztěžovalo jeho DNA. Poté, když rostla, přešli jsme na nové médium, ve kterém by nově syntetizovaná DNA byla vyrobena z lehčího materiálu (obrázek 6). Rozdíl hustoty mezi původní a nově replikovanou DNA by nám mohl umožnit rozlišovat mezi modely pro replikaci DNA.

Obrázek 6 Obecný koncept experimentu k rozlišení původní a nově replikované DNA pomocí hustoty jako markeru. V první baňce jsou bakterie pěstovány po mnoho generací v těžkém médiu, takže veškerá jejich DNA je „těžká“.

Abychom oddělili DNA různé hustoty, vynalezli jsme metodu nazvanou „centrifugace s gradientem rovnovážné hustoty“ a publikovali jsme ji spolu s Jerome Vinogradem, vedoucím výzkumným pracovníkem společnosti Caltech, který nás naučil používat ultracentrifugu ve své laboratoři a poskytoval rady. V této metodě, aplikované na DNA, je speciální trubice, která má křemenná okénka, takže lze pořizovat fotografie ultrafialového světla za běhu centrifugy, naplněna roztokem chloridu cesného a DNA, která má být vyšetřena. Po centrifugaci vysokou rychlostí (

45 000 otáček za minutu nebo 140 000 násobek gravitace), CsCl postupně vytváří hustotní gradient, přičemž se nejvíce koncentruje na dně trubice (obrázek 7). Roztok CsCl směrem k horní části zkumavky je méně hustý než DNA, zatímco roztok CsCl ve spodní části je hustší než DNA. Když je tedy směs DNA v roztoku CsCl centrifugována, DNA se nakonec dostane do klidového bodu, kde se její hustota shoduje s hustotou roztoku CsCl (obrázek 7). DNA absorbuje ultrafialové světlo a její poloha podél zkumavky byla zaznamenána pomocí speciální kamery, když je odstředivka v provozu.

Obrázek 7 Centrifugace s gradientem rovnovážné hustoty. Zkumavka s roztokem DNA a roztoku chloridu česného (CsCl) se odstřeďuje, což vede k vytvoření hustotního gradientu CsCl podél zkumavky během odstřeďování a páskování molekul DNA s různou hustotou.

Tato metoda se nyní zdá být přímočará, ale ve skutečnosti její vývoj trval několik let. Například jsme na chlorid cesný nepřišli hned. Podívali jsme se na periodickou tabulku na hustý jednovazný atom, který by nereagoval s DNA rubidiumchlorid (molekulová hmotnost 121) byl k dispozici ve skladu chemického oddělení a zpočátku jsme se ho pokusili použít, ale zjistili jsme, že ani koncentrované roztoky nebyly dostatečně husté, aby plovoucí DNA do bodu pruhu. Poté jsme v periodické tabulce přesunuli o jednu úroveň dolů na cesium (molekulová hmotnost chloridu cesného je 168) a to fungovalo (více podrobností viz Dig Deeper 3).


Struktura DNA

Georgina Ferry je vědecká spisovatelka se sídlem v Oxfordu ve Velké Británii. Upravené vydání jejího životopisu Dorothy Crowfoot Hodgkin byl právě publikován Bloomsbury Reader.

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Dne 25. dubna 1953, James Watson a Francis Crick oznámili 1 in Příroda že „chtějí navrhnout“ strukturu DNA. V článku o něco přes stránku s jedním diagramem (obr. 1) transformovali budoucnost biologie a dali světu ikonu - dvojitou šroubovici. Okamžitě si uvědomili, že jejich struktura naznačuje „možný mechanismus kopírování genetického materiálu“, a zahájili proces, který v následujícím desetiletí povede k rozbití genetického kódu a o 50 let později k úplné sekvenci lidského genomu.

Obrázek 1 | Dvojitá šroubovice DNA. Tato kresba se objevila v Watsonově a Crickově zprávě 1 o struktuře DNA a byla vytvořena Crickovou manželkou Odile.

Do té doby museli být biologové stále přesvědčeni, že genetickým materiálem jsou ve skutečnosti bílkoviny DNA. Důkazy pro DNA však již byly k dispozici. V roce 1944 kanadsko-americký lékařský výzkumník Oswald Avery a jeho kolegové ukázali 2, že přenos DNA z virulentního do nevirulentního kmene bakterií propůjčil virulenci tomuto druhému. A v roce 1952 biologové Alfred Hershey a Martha Chase publikovali důkaz 3, že fágové viry infikují bakterie injekcí virové DNA.

Příspěvek: Molekulární struktura nukleových kyselin: Struktura nukleové kyseliny deoxyribózy

Třiadvacetiletý Watson, americký genetik, dorazil do Cavendish Laboratory na University of Cambridge ve Velké Británii na podzim 1951. Byl přesvědčen, že povaha genu je klíčovým problémem biologie a že klíčem k gen byla DNA. Cavendish byla fyzikální laboratoř, ale sídlila zde také jednotka Rady pro lékařský výzkum pro výzkum molekulární struktury biologických systémů, kterou vedl chemik Max Perutz. Perutzova skupina pomocí rentgenové krystalografie odhalila struktury proteinů hemoglobinu a myoglobinu. Jeho tým zahrnoval pětatřicetiletého postgraduálního studenta, který se vzdal fyziky a rekvalifikoval se v biologii a který byl mnohem šťastnější při vypracovávání teoretických důsledků výsledků jiných lidí, než při provádění vlastních experimentů: Francis Crick. V Crickovi našel Watson připraveného spojence ve své posedlosti DNA.

DNA však byla projektem Maurice Wilkinse na King’s College London. Crick byl Wilkinsovým přítelem a pro laboratoře nebylo soutěžení o stejnou molekulu. Navíc zkušený rentgenový krystalograf Rosalind Franklin právě převzal experimentální práci na DNA v King’s. Kvůli nedorozumění ohledně jejich relativních rolí byl Franklinův vztah s Wilkinsem mrazivý.

Nic z toho nezastavilo Watsona a Cricka ve spekulacích o tom, jak by se složky molekuly DNA - čtyři nukleotidové báze adenin, guanin, tymin a cytosin, spojené s páteří cukrů a fosfátů - mohly spojit do vláken. Mysleli si, že pravděpodobnou možností je šroubovice: americký chemik Linus Pauling a jeho spolupracovníci právě předvedli 4, že peptidové řetězce vytvářejí a-helixy. Sám Crick byl spoluautorem článku o teorii difrakce rentgenových paprsků šroubovicemi 5. Na konci roku 1951 on a Watson spojili tuto teorii s tím, co věděli o chemii DNA a co si pamatovali z rozhovorů vedených Wilkinsem a Franklinem, aby vytvořili model struktury DNA.

150 let přírody - kolekce výročí

Špatně to pochopili: Wilkins a Franklin to rychle zbourali. Vedoucí Cavendishu, Lawrence Bragg, zuřil a zakázal Watsonovi a Crickovi jakoukoli další práci na DNA. V únoru 1952 však tým Cavendish obdržel od Paulinga rukopis, který obsahoval model DNA. Bylo to špatné, ale Watson a Crick byli znepokojeni, že Pauling je potenciálně blízko řešení.

Tentokrát Bragg souhlasil, že by se tam mohli nejprve pokusit dostat. Franklin se brzy přestěhoval na Birkbeck College v Londýně a práci s DNA nechal Wilkinsovi. Ona a její postgraduální student Raymond Gosling dali Wilkinsovi fotografii rentgenového difrakčního obrazce vytvořeného formou B DNA. Watson šel za Wilkinsem, který mu ukázal fotografii, bez vědomí Franklina a Goslinga.

Nyní slavný „Fotografie 51“, spolu s dalšími nepublikovanými Franklinovými údaji, které Perutz ukázal Watsonovi a Crickovi, řekl dvojici, že DNA skutečně tvoří šroubovici a že struktura sestává ze dvou řetězců běžících v opačných směrech. Watsona však zarazilo, jak se mohou základny mezi nimi spojit. Udělal lepenkové výřezy základen a snažil se je spojit, ale zdálo se, že nic nefunguje.

Nature PastCast: Ostatní papíry DNA

Jeho kolega Jerry Donohue pak poukázal na to, že používá molekulární struktury enolových izomerů bází, které nemohou vytvářet vodíkové vazby nezbytné pro párování bází. Jakmile Watson provedl výřezy alternativních keto izomerů, měl oslepující odhalení, že když se guanin naváže na cytosin, vytvoří stejný tvar jako adenin vázaný na thymin a že tvary dokonale zapadají do šroubovicového rámce poskytovaného páteři každého řetězce DNA. To vysvětlovalo objev biochemika Erwina Chargaffa, že DNA jakéhokoli druhu má stejné množství guaninu jako cytosinu a adeninu jako tyminu 6. Ukázalo se také, že každý řetězec DNA ve šroubovici poskytuje perfektní šablonu pro druhé a čte sekvenci bází v opačných směrech.

Watson a Crick během několika dní postavili nový model DNA z kovových částí. Wilkins okamžitě uznal, že je to správné. Mezi oběma skupinami bylo dohodnuto, že budou zveřejňovat tři dokumenty současně Příroda, přičemž Kingovi vědci komentovali přizpůsobení struktury Watsona a Cricka experimentálním datům a Franklin a Gosling poprvé publikovali fotografii 51 7, 8.

Cambridgská dvojice ve svém příspěvku přiznala, že věděla o „obecné povaze nepublikovaných experimentálních výsledků a myšlenek“ královských dělníků, ale až poté Dvojitá šrouboviceWatsonův výbušný popis objevu byl publikován v roce 1968, že bylo jasné, jak získali přístup k těmto výsledkům. Franklinová zemřela na rakovinu před deseti lety, její smrt jí zabránila sdílet Nobelovu cenu udělenou Watsonovi, Crickovi a Wilkinsovi v roce 1962.

Dorothy Hodgkin: Výroba výjimečného vědce

Okamžitý příjem modelu s dvojitou šroubovicí byl překvapivě ztlumen 9, možná proto, že neexistoval žádný zjevný mechanismus, který by vysvětlil jeho roli v syntéze bílkovin. V mezníkovém rozhovoru v roce 1957 Crick navrhl, aby sekvence bází kódovala sekvenci aminokyselin v proteinu a aby produkce bílkovin zahrnovala RNA jak jako templát, tak jako 'adaptér', který by umožnil vzájemné připojení aminokyselin ve správném pořadí. Rovněž podpořil návrh - původně neformálně vytvořený fyzikem Georgem Gamowem pro členy „RNA Tie Clubu“ svolaného Gamowem a Watsonem, ale také nezávisle navržený biologem Sydney Brennerem 10 - že trojice základen (které Brenner nazýval kodony) kódují 20 aminokyselin běžně se vyskytujících v bílkovinách. Nakonec Crick vysvětlil to, co nazval „centrální dogma“ biologie: že informace mohou proudit z nukleových kyselin do proteinů, ale ne naopak kolem 11.

Tyto předpovědi byly potvrzeny experimentem v příštích několika letech. V roce 1958 biochemici Matthew Meselson a Franklin Stahl ukázali, že jeden řetězec DNA funguje jako šablona pro vytvoření nového vlákna 12. Ve stejném roce Arthur Kornberg a jeho kolegové publikovali svůj objev enzymu DNA polymerázy 13, který přidává základy nově vytvářejícím vláknům. Messengerová RNA, přenosová RNA a ribozomální RNA byly rychle identifikovány.

V roce 1961 Marshall Nirenberg a Heinrich Matthaei jako první rozluštili část genetického kódu a prokázali, že bakteriální extrakty syntetizují pouze aminokyselinu fenylalanin z RNA, která obsahuje pouze jeden typ RNA báze 14 (uracil U). Ve stejném roce Crick, jeho nepostradatelná ženská technikka Leslie Barnett a jejich spolupracovníci nahlásili studie mutací, které potvrdily existenci kódu 15 založeného na tripletu, a které tedy naznačovalo, že kodonem fenylalaninu je UUU. Závod o identifikaci celé sady kodonů byl dokončen v roce 1966, přičemž Har Gobind Khorana přispěl sekvencemi bází v několika kodonech ze svých experimentů se syntetickými polynukleotidy (viz go.nature.com/2hebk3k).

V publikaci 16 Freda Sangera a kolegů o efektivní metodě sekvenování DNA v roce 1977 se otevřela cesta pro úplné čtení genetické informace u jakéhokoli druhu. Úkol byl pro lidský genom dokončen do roku 2003, což je další milník v historii DNA.

Watson věnoval většinu zbytku své kariéry vzdělávání a vědecké správě jako vedoucí laboratoře Cold Spring Harbor na Long Islandu v New Yorku a sloužil (krátce) jako první vedoucí amerického Národního centra pro výzkum lidského genomu, nyní Národní ústav pro výzkum lidského genomu. Vždy otevřený, nakonec byl odstraněn ze své emeritní pozice v Cold Spring Harbor, když opakovaně vysílal kontroverzní názory na genetiku, rasu a inteligenci.

Crick pokračoval v řešení těžkých problémů ve vědě a v roce 1977 se přestěhoval z Cambridge do Salkova institutu v La Jolla v Kalifornii, kde strávil zbytek svého života prací na nervové bázi vědomí 17 a konkrétně vizuálního vnímání. Zemřel v roce 2004 ve věku 88 let.

Dvojitá šroubovice postavila genetiku na fyzický základ, který by osvětlil téměř každý aspekt moderní biologie a medicíny. Mezi příklady patří migrace lidské populace v celé historii, ekologie a biologická rozmanitost mutace nádorů způsobující rakovinu a sledování jejich léčby mikrobiální rezistencí v nemocnicích a celosvětové populaci a diagnostika a léčba vzácných vrozených chorob. Analýza DNA je již dlouho zavedena v kriminalistice a výzkum futurističtějších aplikací, jako je výpočetní technika založená na DNA, velmi pokročila.

Ikonická struktura Watsona a Cricka paradoxně také umožnila rozpoznat nedostatky centrálního dogmatu s objevem malých RNA, které mohou regulovat genovou expresi, a faktorů prostředí, které vyvolávají dědičnou epigenetickou změnu. Není pochyb o tom, že koncept dvojité šroubovice bude i nadále podporovat objevy v biologii po celá desetiletí.

Příroda 575, 35-36 (2019)


Dvojitá šroubovice DNA: objev, který vedl k 60 letům biologické revoluce

Mýtus je, že věda postupuje v záchvatu a začíná, chvíle heuréky přinášejí zjevení a revoluci. Realita je obvykle mnohem pozemštější: případ vědců, kteří vybruslují malé, postupné pokroky. Ale publikace slavné struktury DNA Francise Cricka a Jamese Watsona před 60 lety - zkroucený žebřík dvojité šroubovice - lze legitimně považovat za zlom: naše chápání života se ten den navždy změnilo a moderní éra biologie začalo.

„Neuniklo to našemu upozornění,“ napsali v krátkém článku v časopise Nature, že dvojitá šroubovice „okamžitě navrhuje mechanismus kopírování genetického materiálu“. A tak to dělá. Tato elegantní spirála, kterou jako první nakreslila Crickova manželka Odile, zobrazuje nejslavnější molekulu života. V současné době je součástí naší kultury: ve filmech, jako umění, na šamponových reklamách. We now know that DNA is a dynamic, tortuous coil, constantly shuffling and unwinding, bustling with activity as it enacts its many programs.

Since 1953, biology has evolved into a global industry, with our ever-increasing command over DNA at its core. We have seen the emergence of genetic modification and now synthetic biology – for both scientific and commercial gain – each with its own mire of ongoing legal wrangles. And now we are entering the post-DNA era. In the past couple of years, the nature of DNA itself has been modified, its alphabet mutated and its function reinvented for non-biological uses.

DNA's operation is determined by its shape. Each rung of the ladder is made up of a pair of two of the four letters of the DNA alphabet – A, T, C and G. But A will only pair with T, and C only with G. So if you were to split the ladder in two, breaking the paired rungs, then on each of these struts you would have all the information needed to replace the missing one. Hence, from one DNA molecule, you can make two identical molecules. This is happening right now inside you as the cells that make up your body divide, at a rate of around 3,000 letters a minute (bacteria can do it 10 times faster). And the same process has been happening continuously in every cell that has ever existed on Earth. DNA in living cells, as far as we know, is universal, and combined with Darwin's theory of evolution we have a robust model of how life is, and how it came to be, its origins almost 4bn years ago.

DNA is a code, a means of storing biological data, in the form of genes. The code was systematically cracked in the 1960s, revealing that life is breathtakingly conservative. If DNA is an alphabet, then the words it spells out are amino acids, the building blocks of proteins. And yet only 20 amino acids are encoded by DNA in all life forms. The same alphabet, the same encryption, the same lexicon are applied in every bacterium or blue whale, in you, a sunflower and a mushroom.

It is this uniformity that spawned the industrial revolution of biotechnology that we are in the throes of today. In California in the early 1970s, scientists invented ways to swap chunks of DNA between species, so that they acquired specific characteristics by design. Humans have been doing something similar for 10,000 years through breeding and farming, but with the advent of DNA editing tools, we were suddenly no longer bound by the limitations of creatures that could have sex. Genetic modification has become a mainstay of almost every aspect of the life sciences, and provided innumerable advances in our understanding of how life and diseases work.

DNA structure Photograph: Graphic

This century, the descendant of genetic modification has emerged as synthetic biology. This takes the principles of gene tinkering, and, just as the pioneers of electronics did, standardises the components so that creating new technologies becomes easier. In the summer, we will see the largest synthetic biology meeting in the world at Imperial College London, where the creators of this rapidly maturing field will gather to turn the remixed tools of evolution into ever-more sophisticated circuitry to address global issues including food, fuel and food production. On paper, this circuitry looks like electronics, with transistor-like junctions and gates. But it is in fact DNA, carefully designed and assembled to perform specific logical functions.

We're 10 years on from the completion of the Human Genome Project, initially led by Watson, the complete read-through of all 3bn letters of our own code. That yielded many surprises, including that we're a long way from understanding how our genomes work. But we also entered the legal swamp of DNA patenting, the idea – currently law – that your genes can be owned by someone else. Two breast cancer genes are the subjects of the key legal test case, which is being addressed by the US supreme court this week, with globally significant ramifications.

The pioneers of genetics changed how science itself is done. The Human Genome Project launched a new style of big science — huge international collaborations with openness as a key principle. Thousands of people in hundreds of labs have worked on generating the various versions of human and other species's genomes over the past few years last week, the ancient fish the coelacanth became the latest to join the genome club. All the data is in the public domain, to maximise the benefit for as many people as possible.

Our control of the stuff of life is such that we can now eschew DNA's evolved functions altogether. In its simplest form, DNA is an information storage format. It is incredibly stable: we have extracted meaningful DNA from all sorts of long-dead organisms, including mammoths and Neanderthals.

People started thinking about DNA as a data storage device in the 1990s, but it wasn't until 2010 that scientist Craig Venter hid several secret coded messages in the DNA of his synthetic cell, nicknamed Synthia. This field really kicked off in January when a team led by Cambridge geneticist Ewan Birney encoded in DNA all Shakespeare's sonnets, a video of Martin Luther King's "I have a dream" speech, and Crick and Watson's 1953 paper. They sent it to a lab in Germany, where it was decrypted with an error rate of zero.

Currently, this technique is only useful for archiving, because it is slow to write and decode, but the density of information is higher than for Blu-Ray discs or hard drives. We will never not study DNA, so the technology for reading and writing it will only improve. Remember Betamax or laser discs? DNA is a format that has robustly stored data for 4bn years.

While the principles of how living DNA encodes information and duplicates are set in stone, this is no longer true for the molecule itself. In the past few years we have seen startling progress towards reinventing the language of life. That original four-letter alphabet is now up to at least six, with the addition of Z and P by scientists including Steve Benner at the Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida. These new letters don't mean anything yet: it is as if we had added letters to English that could not yet be pronounced. But Benner has incorporated them into a molecule whose alphabet has remained frozen for several billion years. Last year a team in Cambridge led by Vitor Pinheiro re-engineered the struts of the double helix ladder, changing the D in DNA to a host of other molecules, under the catch-all title of "XNA". They reproduce, evolve, and have the potential to act as therapeutic drugs, because the body won't recognise them as rogue DNA.

Sixty years on from the first revelation of DNA's shapely curves, no aspect of biology is above modification, remix or redesign. This inevitably comes with accusations of "playing God". Yet this is what we have always done. We have taken the natural world, modified it, shaped it and redesigned it to suit our own needs and wants, often without considering the repercussions. All of these new endeavours are fraught with contention. Gene patenting is one perhaps soon to be resolved. Ownership of GM seeds by corporate monoliths continues to provoke ire from many.

There is a visceral belief in some quarters that we shouldn't be fiddling with nature in such fundamental ways. Nevertheless, DNA technology will continue to grow. But it is our responsibility to allow DNA technology to flourish, while society makes informed decisions about how its fruits are shared. We are in a golden age, an industrial revolution with a single root exactly six decades ago.


What makes DNA helical? - Biologie

Figure 1. The three suggested models of DNA replication. Šedá označuje původní řetězce DNA a modrá označuje nově syntetizovanou DNA.

Objasnění struktury dvojité šroubovice poskytlo náznak toho, jak se DNA rozděluje a vytváří její kopie. Tento model naznačuje, že se dvě vlákna dvojité šroubovice během replikace oddělí a každý řetězec slouží jako šablona, ​​ze které se kopíruje nový komplementární řetězec. Nebylo jasné, jak replikace probíhala. There were three models suggested: conservative, semi-conservative, and dispersive (see Figure 1).

In conservative replication, the parental DNA remains together, and the newly formed daughter strands are together. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands act as a template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. In the dispersive model, both copies of DNA have double-stranded segments of parental DNA and newly synthesized DNA interspersed.

Meselson and Stahl were interested in understanding how DNA replicates. They grew E-coli for several generations in a medium containing a “heavy” isotope of nitrogen ( 15 N) that gets incorporated into nitrogenous bases, and eventually into the DNA (Figure 2).

Figure 2. Meselson and Stahl experimented with E. coli grown first in heavy nitrogen ( 15 N) then in 14 N. DNA grown in 15 N (red band) is heavier than DNA grown in 14 N (orange band), and sediments to a lower level in cesium chloride solution in an ultracentrifuge. When DNA grown in 15 N is switched to media containing 14 N, after one round of cell division the DNA sediments halfway between the 15 N and 14 N levels, indicating that it now contains fifty percent 14 N. In subsequent cell divisions, an increasing amount of DNA contains 14 N only. This data supports the semi-conservative replication model. (kredit: úprava díla Mariana Ruiz Villareal)

The E-coli culture was then shifted into medium containing 14 N and allowed to grow for one generation. The cells were harvested and the DNA was isolated. The DNA was centrifuged at high speeds in an ultracentrifuge. Some cells were allowed to grow for one more life cycle in 14 N and spun again. During the density gradient centrifugation, the DNA is loaded into a gradient (typically a salt such as cesium chloride or sucrose) and spun at high speeds of 50,000 to 60,000 rpm. Under these circumstances, the DNA will form a band according to its density in the gradient. DNA grown in 15 N will band at a higher density position than that grown in 14 N. Meselson and Stahl noted that after one generation of growth in 14 N after they had been shifted from 15 N, the single band observed was intermediate in position in between DNA of cells grown exclusively in 15 N and 14 N. This suggested either a semi-conservative or dispersive mode of replication. The DNA harvested from cells grown for two generations in 14 N formed two bands: one DNA band was at the intermediate position between 15 N and 14 N, and the other corresponded to the band of 14 N DNA. These results could only be explained if DNA replicates in a semi-conservative manner. Therefore, the other two modes were ruled out.

Během replikace DNA slouží každé ze dvou vláken tvořících dvojitou šroubovici jako templát, ze kterého jsou kopírována nová vlákna. Nový řetězec bude komplementární k rodičovskému nebo „starému“ vláknu. When two daughter DNA copies are formed, they have the same sequence and are divided equally into the two daughter cells.

In Summary: Basics of DNA Replication

The model for DNA replication suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. In conservative replication, the parental DNA is conserved, and the daughter DNA is newly synthesized. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands acts as template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. The dispersive mode suggested that the two copies of the DNA would have segments of parental DNA and newly synthesized DNA. Experimental evidence showed DNA replication is semi-conservative.