Inhalt
- Genomik und DNA-Sequenzierung
- Definition von DNA-Sequenzierung
- DNA-Sequenzierung: Frühe Forschung
- Sangers größter Ehrgeiz war die Sequenzierung großer, ganzer Genome, aber die Sequenzierung der Basenpaare eines winzigen Bakteriophagen verblasste im Vergleich zur Sequenzierung der 3 Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms. Dennoch war das Erlernen der Sequenzierung des gesamten Genoms eines niederen Bakteriophagen ein wichtiger Schritt, um das gesamte Genom des Menschen zusammenzusetzen. Da DNA und Chromosomen aus Millionen von Basenpaaren bestehen, trennen die meisten Sequenzierungsmethoden DNA in kleine Stränge und dann werden die DNA-Segmente zusammengesetzt; Es braucht nur Zeit oder schnelle, hoch entwickelte Maschinen.
- Grundlagen der DNA-Sequenzierung
- Methoden der DNA-Sequenzierung: Sanger-Methoden
- Eine weitere aufregende Entwicklung war die Schrotflintenmethode, bei der bis zu 700 Basenpaare gleichzeitig zufällig abgetastet und sequenziert wurden. Sanger ist auch für seine Verwendung der Didesoxy (Didesoxynukleotid) -Methode bekannt, die ein kettenabbrechendes Nukleotid während der DNA-Synthese einfügt, um DNA-Abschnitte zur Analyse zu markieren.
- DNA-Sequenzierungsschritte
- Fortschritte in der DNA-Sequenzierungstechnologie
- Das Humangenom-Projekt
- Andere DNA-Sequenzierungsbeispiele
- Ethische Implikationen der DNA-Sequenzierung
Nukleotide sind die chemischen Bausteine des Lebens und kommen in der DNA lebender Organismen vor. Jedes Nukleotid besteht aus ein Zucker, Phosphat und ein stickstoffhaltige Base: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Die spezifische Reihenfolge dieser Nukleotidbasen bestimmt, welche Proteine, Enzyme und Moleküle von der Zelle synthetisiert werden.
Die Bestimmung der Reihenfolge oder der Sequenz von Nukleotiden ist wichtig für die Untersuchung von Mutationen, Evolution, Krankheitsverlauf, Gentests, forensischen Untersuchungen und der Medizin.
Genomik und DNA-Sequenzierung
Genomics ist die Untersuchung von DNA, Genen, Geninteraktionen und Umwelteinflüssen auf Gene. Das Geheimnis, um das komplexe Innenleben von Genen zu entschlüsseln, ist die Identifizierung ihrer Struktur und Lage auf Chromosomen.
Das Blau lebender Organismen wird durch die Reihenfolge (oder Sequenz) der Nukleinsäure-Basenpaare in der DNA bestimmt. Wenn sich die DNA repliziert, paart sich Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin. Nicht übereinstimmende Paare werden berücksichtigt Mutationen.
Seit der Konzeption des Doppelhelix-Desoxyribonukleinsäuremoleküls (DNA) im Jahr 1953 wurden auf dem Gebiet der Genomik und der DNA-Sequenzierung im großen Maßstab dramatische Verbesserungen vorgenommen. Wissenschaftler arbeiten fleißig daran, dieses neue Wissen auf die individualisierte Behandlung von Krankheiten anzuwenden.
Gleichzeitig ermöglichen die laufenden Diskussionen den Forschern, den ethischen Konsequenzen solcher schnell explodierenden Technologien einen Schritt voraus zu sein.
Definition von DNA-Sequenzierung
DNA-Sequenzierung ist der Prozess der Entdeckung der Sequenz verschiedener Nukleotidbasen in DNA-Schnipsel. Die Gesamtgensequenzierung ermöglicht den Vergleich von Chromosomen und Genomen, die in derselben und in verschiedenen Arten vorhanden sind.
Die Kartierung von Chromosomen ist nützlich für die wissenschaftliche Forschung. Die Analyse der Mechanismen und Strukturen von Genen, Allelen und chromosomalen Mutationen in DNA-Molekülen legt neue Wege nahe, um beispielsweise genetische Störungen zu behandeln und das Wachstum von Krebstumoren zu stoppen.
DNA-Sequenzierung: Frühe Forschung
Frederick Sangers DNA-Sequenzierungsmethoden Das Gebiet der Genomik hat sich seit den 1970er Jahren stark weiterentwickelt. Sanger fühlte sich bereit, die DNA-Sequenzierung in Angriff zu nehmen, nachdem er die RNA bei der Untersuchung von Insulin erfolgreich sequenziert hatte. Sanger war nicht der erste Wissenschaftler, der sich mit der DNA-Sequenzierung befasste. Seine ausgeklügelten DNA-Sequenzierungsmethoden, die zusammen mit den Kollegen Berg und Gilbert entwickelt wurden, wurden jedoch 1980 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Sangers größter Ehrgeiz war die Sequenzierung großer, ganzer Genome, aber die Sequenzierung der Basenpaare eines winzigen Bakteriophagen verblasste im Vergleich zur Sequenzierung der 3 Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms. Dennoch war das Erlernen der Sequenzierung des gesamten Genoms eines niederen Bakteriophagen ein wichtiger Schritt, um das gesamte Genom des Menschen zusammenzusetzen. Da DNA und Chromosomen aus Millionen von Basenpaaren bestehen, trennen die meisten Sequenzierungsmethoden DNA in kleine Stränge und dann werden die DNA-Segmente zusammengesetzt; Es braucht nur Zeit oder schnelle, hoch entwickelte Maschinen.
Grundlagen der DNA-Sequenzierung
Sanger kannte den potenziellen Wert seiner Arbeit und arbeitete oft mit anderen Wissenschaftlern zusammen, die seine Interessen in den Bereichen DNA, Molekularbiologie und Biowissenschaften teilten.
Obwohl im Vergleich zu den heutigen Sequenziertechnologien langsam und teuer, wurden zu dieser Zeit die DNA-Sequenzierungsmethoden von Sanger gelobt. Nach dem Ausprobieren fand Sanger das geheime biochemische "Rezept" für die Trennung von DNA-Strängen, die Schaffung von mehr DNA und die Identifizierung der Reihenfolge der Nukleotide in einem Genom.
Hochwertige Materialien können für die Verwendung in Laborstudien leicht gekauft werden:
Methoden der DNA-Sequenzierung: Sanger-Methoden
Sanger fand heraus, wie man DNA mit dem Enzym DNA-Polymerase in kleine Segmente schneidet.
Anschließend fertigte er mehr DNA aus einer Vorlage an und fügte radioaktive Tracer in die neue DNA ein, um Abschnitte der getrennten Stränge abzugrenzen. Er erkannte auch, dass das Enzym einen Primer benötigte, der sich an einen bestimmten Punkt auf dem Matrizenstrang binden konnte. 1981 schrieb Sanger erneut Geschichte, indem er das Genom der 16.000 Basenpaare der mitochondrialen DNA herausfand.
Eine weitere aufregende Entwicklung war die Schrotflintenmethode, bei der bis zu 700 Basenpaare gleichzeitig zufällig abgetastet und sequenziert wurden. Sanger ist auch für seine Verwendung der Didesoxy (Didesoxynukleotid) -Methode bekannt, die ein kettenabbrechendes Nukleotid während der DNA-Synthese einfügt, um DNA-Abschnitte zur Analyse zu markieren.
DNA-Sequenzierungsschritte
Die Temperatur muss während des gesamten Sequenzierungsprozesses sorgfältig eingestellt werden. Zunächst werden Chemikalien in ein Röhrchen gegeben und erhitzt, um das doppelsträngige DNA-Molekül zu entwirren (denaturieren). Dann wird die Temperatur abgekühlt, so dass sich der Primer verbindet.
Als nächstes wird die Temperatur erhöht, um eine optimale Aktivität der DNA-Polymerase (Enzym) zu fördern.
Die Polymerase verwendet typischerweise die normalen verfügbaren Nukleotide, die in einer höheren Konzentration zugesetzt werden.Wenn die Polymerase an ein farbstoffgebundenes "kettenterminierendes" Nukleotid gelangt, stoppt die Polymerase und die Kette endet dort, was erklärt, warum die gefärbten Nukleotide als "kettenterminierend" oder "Terminatoren" bezeichnet werden.
Der Prozess wird viele Male fortgesetzt. Schließlich wurde das farbstoffgebundene Nukleotid an jeder einzelnen Position der DNA-Sequenz platziert. Gelelektrophorese und Computerprogramme können dann die Farbstofffarben auf jedem der DNA-Stränge identifizieren und die gesamte Sequenz der DNA basierend auf dem Farbstoff, der Position des Farbstoffs und der Länge der Stränge herausfinden.
Fortschritte in der DNA-Sequenzierungstechnologie
Sequenzierung mit hohem Durchsatz - allgemein bezeichnet als Sequenzierung der nächsten Generation - nutzt neue Fortschritte und Technologien, um Nukleotidbasen schneller und kostengünstiger als je zuvor zu sequenzieren. Eine DNA-Sequenzierungsmaschine kann problemlos große DNA-Abschnitte verarbeiten. Tatsächlich kann das gesamte Genom mit Sangers Sequenzierungstechniken in wenigen Stunden anstelle von Jahren erstellt werden.
Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation können hochvolumige DNA-Analysen ohne den zusätzlichen Schritt der Amplifikation oder Klonierung durchführen, um genügend DNA für die Sequenzierung zu erhalten. DNA-Sequenzierungsmaschinen führen mehrere Sequenzierungsreaktionen gleichzeitig durch, was billiger und schneller ist.
Im Wesentlichen führt die neue DNA-Sequenzierungstechnologie Hunderte von Sanger-Reaktionen auf einem kleinen, leicht lesbaren Mikrochip durch, der dann von einem Computerprogramm durchlaufen wird, das die Sequenz zusammenstellt.
Die Technik liest kürzere DNA-Fragmente, ist aber immer noch schneller und effizienter als die Sequenzierungsmethoden von Sanger, sodass auch große Projekte schnell abgeschlossen werden können.
Das Humangenom-Projekt
Das Humangenomprojekt, abgeschlossen im Jahr 2003, ist eine der bekanntesten Sequenzierungsstudien, die bisher durchgeführt wurden. Laut einem Artikel von 2018 in Wissenschaftsnachrichtenbesteht das menschliche Genom aus ungefähr 46.831 Gene, was eine gewaltige Herausforderung für die Sequenzierung war. Spitzenwissenschaftler aus der ganzen Welt haben fast 10 Jahre lang zusammengearbeitet und beraten. Angeführt von der National Human Genome Research
Institut, das Projekt hat erfolgreich das menschliche Genom mit einer zusammengesetzten Probe von anonymen Blutspendern abgebildet.
Das Humangenomprojekt stützte sich auf Sequenzierungsmethoden auf der Basis von künstlichen Bakterienchromosomen (BAC), um Basenpaare zu bestimmen. Die Technik verwendete Bakterien, um DNA-Fragmente zu klonieren, was zu großen DNA-Mengen für die Sequenzierung führte. Die Klone wurden dann verkleinert, in eine Sequenziermaschine gegeben und zu Abschnitten zusammengesetzt, die menschliche DNA repräsentierten.
Andere DNA-Sequenzierungsbeispiele
Neue Entdeckungen in der Genomik verändern die Ansätze zur Vorbeugung, Erkennung und Behandlung von Krankheiten grundlegend. Die Regierung hat Milliarden von Dollar für die DNA-Forschung bereitgestellt. Strafverfolgung stützt sich auf DNA-Analyse, um Fälle zu lösen. DNA-Testkits können für den Heimgebrauch erworben werden, um die Herkunft zu untersuchen und Genvarianten zu identifizieren, die ein Gesundheitsrisiko darstellen können:
Ethische Implikationen der DNA-Sequenzierung
Neue Technologien bergen oft die Möglichkeit des sozialen Nutzens und des Schadens. Beispiele hierfür sind defekte Kernkraftwerke und Atomwaffen zur Massenvernichtung. DNA-Technologien bergen auch Risiken.
Zu den emotionalen Bedenken hinsichtlich DNA-Sequenzierungs- und Geneditierungs-Tools wie CRISPR gehört die Befürchtung, dass die Technologie das Klonen von Menschen erleichtern oder zu mutierten transgenen Tieren führen könnte, die von einem Schurkenwissenschaftler geschaffen wurden.
Häufiger haben ethische Fragen im Zusammenhang mit der DNA-Sequenzierung mit Einverständniserklärung zu tun. Durch den einfachen Zugang zu DNA-Tests, die direkt beim Verbraucher durchgeführt werden, können die Verbraucher möglicherweise nicht vollständig nachvollziehen, wie ihre genetischen Informationen verwendet, gespeichert und weitergegeben werden. Laien sind möglicherweise emotional nicht bereit, etwas über ihre defekten Genvarianten und Gesundheitsrisiken zu erfahren.
Dritte wie Arbeitgeber und Versicherungsunternehmen könnten potenziell Personen diskriminieren, die defekte Gene tragen, die zu ernsthaften medizinischen Problemen führen können.