Что значит синтезируется в биологии
Синтез
Синтез — процесс соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое или набор. Термин происходит от др.-греч. σύνθεσις — соединение, складывание, связывание ( συν- — приставка со значением совместности действия, соучастия и θέσις — расстановка, размещение, распределение, (место)положение). Синтез есть способ собрать целое из функциональных частей как антипод анализа — способа разобрать целое на функциональные части. Возможен синтез решений. В кибернетике процесс синтеза тесно связан с процессом предшествующего анализа. Синтез — инжиниринговое построение сложных систем из предварительно подготовленных блоков или модулей разных типов. Низкоуровневое, глубокое структурное объединение компонентов разных типов. С точки зрения теории познания, синтез представляет собой необходимый этап проявления познавательной деятельности сознания. В совокупности с анализом, метод синтеза позволяет получить представления о связях между составляющими предмета изучения.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Синтез» в других словарях:
СИНТЕЗ — (от греч. соединение, сочетание, составление), соединение различных элементов, сторон предмета в единое целое (систему), которое осуществляется как в практич. деятельности, так и в процессе познания. В этом значении С. противоположен… … Философская энциклопедия
Синтез — Синтез ♦ Synthèse По гречески слово synthesis означает союз, состав, со единение. Синтезировать означает составлять (tithenai) вместе (sun). Тем самым синтез противостоит анализу, то есть расчленению, разложению. Синтез идет от простого к … Философский словарь Спонвиля
синтез — а, м. synthèse f. < гр. synthesis соединение, составление. 1. Метод научного исследования явлений действительности в их целостности, во взаимодействии их частей. БАС 1. Сначала ум человеческий дробит предмет, рассматривает, так сказать, монады … Исторический словарь галлицизмов русского языка
СИНТЕЗ — (греч. syn вместе, tithemi помещаю) метод мышления, состоящий в восхождения от простого к сложному, от частей к целому, от причин к явлениям, от начала к последствиям, противоположен анализу. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского… … Словарь иностранных слов русского языка
синтез — (от греч. synthesisсоединение, сочетание, составление) включенный в акты взаимодействия организма со средой процесс пpaктичecкoгo или мысленного воссоединения целого из частей или соединения различных элементов, сторон объекта в единое целое,… … Большая психологическая энциклопедия
СИНТЕЗ — (греч. соединение, сочетание, составление) соединение различных элементов в единое целое, качественно отличное от простой их суммы. Понятие С. в культурологии характеризуется многозначностью и смысловой открытостью. Оно… … Энциклопедия культурологии
СИНТЕЗ — [тэ], синтеза, мн. нет, муж. (греч. synthesis соединение). 1. Метод исследования установление связи и сведение в единое целое отдельных элементов, полученных в процессе анализа (научн., филос.). Синтез явлений. || Вывод, сложное обобщение,… … Толковый словарь Ушакова
синтез — единство, единение, репликация, целостность, обобщение, соединение, синтезирование. Ant. анализ, разбор, анализирование Словарь русских синонимов. синтез см. обобщение 2 Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык … Словарь синонимов
синтез — — [http://www.rfcmd.ru/glossword/1.8/index.php?a=index d=4661] синтез 1. Исследовательский метод, в известном смысле обратный анализу, т.е. имеющий целью объединить отдельные части изучаемой системы, ее элементы, в единую систему. Целью… … Справочник технического переводчика
СИНТЕЗ — (от греческого synthesis соединение), соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему). Синтез неразрывно связан с анализом (расчленением объекта на элементы) … Современная энциклопедия
СИНТЕЗ — (от греч. synthesis соединение) соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему); синтез неразрывно связан с анализом (расчленением объекта на элементы) … Большой Энциклопедический словарь
Что такое биосинтез в биологии?
Биосинтез (биологический синтез) – это образование сложных веществ из более простых в живом организме.
Последним биосинтез отличается от химического синтеза, который идёт вне клеток – в лабораториях, на химических предприятиях, иногда – в водоёмах, почве и горных породах.
Кроме того, в биосинтезе всегда задействованы особые вещества – ферменты. Они делают возможными и/или ускоряют химические реакции. Ферментов известно около 5000, и вне живых организмов они в природе не существуют.
Природа имела в своём распоряжении миллиарды лет и испытала миллиарды способов синтеза. За это время она отобрала самые подходящие вещества, создала миниатюрные структуры для их переработки. Живая клетка превратилась в химический завод, на котором могут идти сложнейшие превращения. «Завод» работает автоматически, быстро, с минимальными потерями и максимальным выходом продукции. Отработана поставка в клетку «сырья», бесперебойное снабжение энергией, всегда наготове записанная в генах информация о том, что и как нужно делать.
Возьмём, к примеру, зелёный листок на дереве. На свету из углекислого газа и воды он безостановочно образует глюкозу. Растение ею питается, получает энергию. В руках человека мощная наука и могучая техника. Углекислого газа и воды – сколько угодно. С солнечным светом тоже, вроде, проблем нет. Но люди, пользуясь только этим, не в состоянии синтезировать ни крупинки глюкозы. Мы получает её совсем по-другому, причём из крахмала, который синтезировали те же растения.
Почему человек не может скопировать реакции биосинтеза?
Во-первых, потому что у нас нет такого «оборудования», каким располагает клетка.
Во-вторых, большинство ферментов – белки, чтобы их получить, человек должен выяснить строение каждого, потом найти способ их получить. Всё это возможно, но непросто. В итоге продукт химического синтеза (например, искусственный гормон) оказывается довольно дорогим.
Упростить дело можно, если хотя бы часть работы переложить на живые клетки. К примеру, аскорбиновую кислоту (витамин С) получают на заводах в итоге шести химических реакций. Одну из них обеспечивают… активные бактерии. Подобные схемы широко использует биотехнология.
Мы сравнивали клетку с заводом. Но в промышленности перенос предприятий – обычная практика. Нечто похожее делает генетическая инженерия. Так, человеческий ген белка инсулина удалось «устроить на работу» в клетку бактерии кишечной палочки. В итоге на новом месте синтезируется инсулин – неведомый и совершенно ненужный кишечной палочке, но остро необходимый больным диабетом.
Как человек использует продукты биосинтеза?
Он, не задумываясь, использует их каждую секунду своей жизни. Когда вы читаете эти строки, в ваших глазах идёт биосинтез зрительных пигментов, в печени синтезируется из глюкозы запасное вещество гликоген, костный мозг строит молекулы гемоглобина и т.п.
Кроме того, человек, вовсю потребляет готовые продукты «чужого» биосинтеза. Что такое наша еда – хлеб, мясо, масло, крупы, молоко и т.д.? Всё это смеси белков, жиров, углеводов, витаминов. То есть, продуктов биосинтеза, который прошёл в клетках растений и животных.
Биосинтез снабжает нас и промышленным сырьём. Из плесневых грибов и бактерий добываем антибиотики и витамины. Мы одеты и обуты в разные виды белкá – шерсть, мех и кожу млекопитающих, а также в хлопковую клетчатку. Натуральный шёлк отбираем у бабочек тутового шелкопряда. Целлюлозу, которую деревья синтезировали десятилетиями, превращаем в бумагу, глюкозу, вискозу, пластмассу, стройматериалы, мебель.
Можно только радоваться, что природа создала биосинтез – без него мы были бы всего этого лишены. Правда, без биосинтеза не было бы и нас самих.
Общая информация о биосинтезе белка: значение, код ДНК, процесс считывания и передачи информации
Общая информация о биосинтезе белка
Значение биосинтеза белка в клетке
Процесс биосинтез белка — наиболее значимая реакция пластического обмена. Способность синтезировать белок есть у всех клеток живых организмов: сложных и простых, грибов, растений и животных. Клетка содержит несколько тысяч различных белков. При этом, для каждого вида клеток характерны специфические белки.
Способность к синтезу собственных уникальных белков является наследственной и сохраняется на протяжении всей жизни организма. Биосинтез белков происходит наиболее интенсивно, когда клетки активно растут и развиваются.
Что такое биосинтез белка?
Процессом синтеза белка называется — процесс, состоящий из множества стадий, на которых происходит синтез белковой макромолекулы и последующее созревание (формирование) белка, и происходящий в живых организмах.
Фотосинтез связан с большими энергетическими затратами. Благодаря ему происходит обеспечение клеток так называемым строительным материалом, биологическими катализаторами (ферментами), регуляторами и средствами защиты организма.
Каково значение белков в клетке? Значение белков неоценимо. Для этого рассмотрим, что такое биосинтез подробнее.
Код ДНК
Определение места синтеза белковых макромолекул — наивысшее достижение молекулярной биологии. ДНК играет ключевую роль в определении структуры синтезируемого белка. Молекула ДНК содержит информацию о первичной структуре молекулы белка.
Геном — часть молекулы ДНК, содержащая информацию о первичной структуре одного белка.
Генетический код — единая для всех живых организмов система сохранения полной наследственной информации.
Если говорить о структуре, то она представляет собой определенную последовательность нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Эта последовательность задает последовательность введения аминокислотных остатков в полипептидную цепь в ходе ее синтеза.
Согласно исследованиям ученых, каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью, которая состоит из 3 нуклеотидов (это триплет нуклеотидов).
Всего выделяют 20 основных аминокислот. Каждая аминокислота имеет способность кодироваться несколькими разными триплетами.
Матрица — молекула ДНК, которая содержит информацию.
Процесс считывания и передачи информации
Расположение молекул ДНК — ядро клетки. Также они могут находиться в пластидах и митохондриях. В определенный момент происходит деспирализация молекулы ДНК и расхождение ее параллельных цепей.
В соответствии с принципом комплементарности, на этих цепях происходит синтез небольших молекул и-РНК (информационной РНК). Это транскрипция или считывание.
Молекула и-РНК, синтезированная таким образом, направляется к месту синтеза белка.
Трансляция — процесс переноса и-РНК из ядра к месту синтеза белка.
Механизм биосинтеза белка
Синтез белковых молекул осуществляется на мембранах ЭПС (эндоплазматическая сеть). Рибосома является органеллой, которая отвечает за синтез белка. Рибосомы, нанизываясь на молекулу и-РНК, формируют полисому. Молекула т-РНК (транспортная РНК), которая несет кислотный остаток, подходит к каждой рибосоме.
т-РНК отличается формой трилистика: верхушка — это триплет нуклеотидов или антикодон. Он формирует комплементарную пару с соответствующим триплетом и-РНК (кодоном).
Рибосома в процессе синтеза белка надвигается на нитевидную молекулу и-РНК, которая оказывается двумя ее субъединицами. Присоединение т-РНК к и-РНК происходит в определенном месте — в месте совпадения кодона и антикодона. Присоединение аминокислотных остатков к синтезируемой цепи происходит при помощи полипептидных связей. Происходит отсоединение т-РНК, после чего она покидает рибосому.
Это продолжается до завершения синтеза нити аминокислотных остатков (белковой молекулы).
Заключительный этап — приобретение синтезированным белком пространственной структуры. Благодаря соответствующим ферментам от него отщепляются лишние аминокислотные остатки, происходит введение небелковых фосфатных, карбоксильных и других групп, присоединение углеводов, липидов и т. д. Белок «созревает». Как только все эти процессы заканчиваются, молекула белка становится полностью функционально активной.
Биосинтез белка и генетический код: транскрипция и трансляция белка
Биосинтез белка и генетический код
Биосинтез белка — это ферментативный процесс синтеза белков в клетке, в котором принимают участие три структурных элемента клетки: ядро, цитоплазма и рибосомы.
Молекулы ДНК в ядре клетки сохраняют информацию обо всех белках, синтезирующихся в этой клетке. Эта информация находится в зашифрованном виде — шифруется 4-буквенным кодом.
Генетический код представляет собой последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, определяющей последовательность аминокислот в молекуле белка.
Генетический код обладает следующими свойствами:
К примеру, такая кислота как цистеин кодируется при помощи триплета А-Ц-А. В отношении валина — это Ц-А-А.
Если взять аминокислоту тирозин, то она кодируется при помощи двух триплетов.
УАГ, УАА, УГА — три несодержательных кодона, не кодирующие аминокислоты. Предполагается, что они выступают в качестве стоп-сигналов, благодаря которым происходит разделение генов в молекуле ДНК.
Ген — участок молекулы ДНК, для которого свойственна определенная последовательность нуклеотидов. Ген определяет синтез одной полипептидной цепи.
Этапы биосинтеза белка: транскрипция и трансляция
Транскрипция белка
Этапы биосинтеза белка основаны на двух процессах: транскрипции и трансляции.
Самый популярный вопрос в рамках этой темы — где происходит синтез белка. И только потом разбираются с этапами синтеза белка (и схемой биосинтеза белка).
Любая белковая молекула имеет структуру, закодированную в ДНК. В ее синтезе эта ДНК не принимает непосредственного участия. Роль белковой молекулы — роль матрицы для синтеза РНК.
Далее охарактеризуем функции различных видов РНК в биосинтезе белка.
Где и как происходит биосинтез белка? Синтез белка происходит в, а точнее, синтез белка происходит на рибосомах — в основном они размещаются в цитоплазме. Поэтому, чтобы генетическая информация из ДНК передалась к месту, где белок синтезируется, необходим посредник.
Роль такого посредника играет иРНК.
Первый этап биосинтеза белка — транскрипция.
Транскрипция (переписывание) — процесс синтеза молекулы иРНК на одной цепи молекулы ДНК, в основе которого лежит принцип комплементарности.
Биосинтез белка происходит в рибосомах — с этим мы разобрались.
Где происходит транскрипция? Этот процесс осуществляется в ядре клетки.
Транскрипция происходит в одно и то же время не на всей молекуле ДНК — для этого достаточно одного небольшого участка, отвечающего за определенный ген. Часть двойной спирали ДНК раскручивается, и короткий участок одной из цепей оголяется. Роль матрицы в синтезе молекул иРНК выполняет этот же участок.
Далее в дело вступает фермент РНК-полимераза, который движется вдоль этой цепи. Он соединяет нуклеотиды в цепь иРНК, тем самым удлиняя ее.
Процесс транскрипции осуществляется одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах разных хромосом.
иРНК, образованная в результате, имеет последовательность нуклеотидов — точную копию последовательности нуклеотидов на матрице.
Если молекула ДНК содержит азотистое основание цитозин, то иРНК — гуанин и наоборот. Комплементарная пара ДНК — аденин-тимин, РНК — аденин-урацил.
тРНК и рРНК (другие типы РНК) синтезируются на специальных генах.
Специальные триплеты строго фиксируют начало и конец синтеза всех типов РНК на матрице ДНК. Они же осуществляют контроль запуска и остановку синтеза (инициирующие и терминальные). Между генами они играют роль «разделительных знаков».
Аминокислоты соединяются с тРНК в цитоплазме. По своей форме молекула тРНК — лист клевера. Вверху этого листа находится антикодон: триплет нуклеотидов, отвечающий за кодировку аминокислоты (ее эта тРНК и переносит).
Количество тРНК определяется количеством аминокислот.
Так как много аминокислот кодируется при помощи нескольких триплетов, то количество тРНК превышает 20. Сегодня известно примерно 60 тРНК.
Ферменты — связующее звено между аминокислотами и тРНК. С помощью молекул тРНК осуществляется транспортировка аминокислот к рибосомам.
Кратко о трансляции в биологии
Что такое трансляция в биологии и как связан с трансляцией биосинтез белка?
В биологии трансляция — это процесс реализации информации о структуре белка, представленной в иРНК последовательностью нуклеотидов, как последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка.
Как и где происходит биосинтез белка в рамках трансляции и какова схема синтеза белка?
Первый этап трансляции белка — присоединение иРНК к рибосоме. Далее трансляция в биологии — это нанизывание первой рибосомы, синтезирующей белок, на иРНК. Далее трансляция синтеза белка основывается на нанизывании новой рибосомы — по мере того, как предыдущая рибосома продвигается на конец иРНК, который освобождается.
Одна иРНК может одновременно вмещать свыше 80 рибосом, синтезирующих один и тот же белок.
Полирибосома или полисома — группа рибосом, соединенных с одной иРНК,
Информация, записанная на иРНК (а не рибосома), определяет вид синтезируемого белка. Разные белки могут синтезироваться одной и той же рибосомой. Рибосома отделяется от иРНК после того, как синтез белка завершается. Заключительный этап трансляции — это синтез белка или его поступление в эндоплазматическую сеть.
Рибосома включает две субъединицы: малую и большую. Присоединение молекулы иРНК происходит к малой субъединице. Место, в котором рибосома и иРНК контактируют, содержит 6 нуклеотидов (2 триплета). Из цитоплазмы к одному из триплетов постоянно подходят тРНК с различными аминокислотами. Своим антикодоном они касаются кодона иРНК. В случае комплементарности кодона и антикодона, возникает пептидная связь: она образуется между аминокислотой уже синтезированной части белка и аминокислотой, доставляемой тРНК.
Фермент синтетазы участвует в соединении аминокислот в молекулу белка. После отдачи аминокислоты молекула тРНК переходит в цитоплазму, в результате чего рибосома перемещается на один триплет нуклеотидов. Таким образом, происходит последовательный синтез полипептидной цепи. Этот процесс длится до момента достижения рибосомой одного из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА. Как только это происходит, синтез белка останавливается.
Последовательность того, как аминокислоты включаются в цепь белка, определяется последовательностью кодонов иРНК. В каналы эндоплазматического ретикулюма поступают синтезированные белки. Синтез одной молекулы белка в клетке происходит в течение 1-2 минут.
Схема синтеза белка выглядит следующим образом:
Из схемы биосинтеза белка выше вы можете понять, на чем осуществляется синтез белков, как происходит биосинтез белка, и что кроется за трансляцией и транскрипцией.
Также предлагаем изучить таблицу биосинтеза белка. Здесь описано, как осуществляется синтез белков в клетке, описываются кратко транскрипция и трансляция (этапы синтеза белка).
Таблица биосинтеза белка:
Из таблицы становится ясно, как проходит синтез белка, какие основные этапы синтеза белка, какова роль транскрипции в биосинтезе белка, где происходит синтез белков (место), а также кратко описаны стадии биосинтеза белка.
Таким образом мы охарактеризовали функции различных видов РНК в биосинтезе белков. На примере трансляции и транскрипции мы рассмотрели основные этапы биосинтеза белка.
Это информация о синтезе (биосинтезе) белка кратко.
Синтетическая жизнь
Синтетическая жизнь
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Пока одни ученые изучают геномы, другие пытаются их создавать, пользуясь искусственно синтезируемыми «деталями». Этим они напоминают инженеров, а их работа — результат многих миллионов лет эволюции. Синтетическая биология — область, где наука, изучающая живое, становится наукой, его создающей, пытаясь не только понять фундаментальные принципы организации и работы живых систем, но и решить прикладные задачи — от лечения заболеваний до биотехнологий будущего.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «лучшая обзорная статья» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Инструкция для живого
Рисунок 1. Схематическое изображение клетки. ДНК клетки — «программный код», в котором заключена вся необходимая для жизни информация, а цитоплазма (внутреннее содержимое клетки) — «способ реализации» кода (среда, которая интерпретирует зашифрованную в ДНК информацию). Зеленые точки — рибосомы; красным обозначены каналы, через которые происходит обмен с окружающей средой. Масштаб не соблюден. Рисунок автора статьи..
Поведение клетки — раздражение, деление, рост, дифференцировка — подчинено химическим реакциям, компоненты которых — белки — закодированы в ее геноме. Геном* представляет собой совокупность всей ДНК клетки, напоминая при этом «инструкцию» или «программу», в которой содержится вся наследственная информация в виде последовательности четырех символов (оснований) — A, T, G и C, — необходимая для построения и поддержания жизни. Для выполнения команд этот код должен быть интерпретирован (прочтен), а информация из последовательности оснований реализована (через РНК и белки) в наборе химических реакций в цитоплазме (рис. 1). Последние в конечном счете детерминируют все свойства живого, и это справедливо для всех организмов — от бактерий и архей до высших эукариот, что подчеркивает фундаментальность такого механизма. За многие миллионы лет эволюции организмы приобретали (и до сих пор это делают) различные гены, которые помогали им лучше приспосабливаться к условиям в своей нише. Поэтому разные живые существа имеют отличающиеся геномы, которые адаптированы к соответствующим условиям жизни, хотя некоторые элементы схожи (консервативны) у самых филогенетически удаленных организмов.
* — О масштабном проекте «Геном человека», его результатах и перспективах постгеномной эры читайте: «Геном человека: как это было и как это будет» [1]. — Ред.
Для «чтения» информации, закодированной в ДНК, ученые прибегают к различным методам секвенирования*, прочитывая каждый символ (основание) и получая в конечном итоге последовательность (на компьютере), аналогичную геному клетки (рис. 2).
Рисунок 2. Пример отображения «прочтенной» последовательности ДНК. Буквы означают азотистые основания (а — аденин, t — тимин, g — гуанин, c — цитозин). Фрагмент последовательности гена гемоглобина человека взят из GenBank (номер DQ659148.1).
Концепция синтетической биологии
Синтетическая биология как наука появилась в начале этого века [6], когда были получены искусственные простые генно-регуляторные системы. Так, в 2000 году был сконструирован генетический триггер, который переключается между двумя стабильными состояниями в бактерии E. coli под действием термического или химического стимулов (рис. 3) [7]. Это напоминает электрическую цепь с несколькими переключателями (гены и белки) и выходным сигналом («лампочкой»), которым может быть изменение состояния клетки — например, синтез флуоресцентного белка*. Удавшийся эксперимент ознаменовал новые возможности в молекулярной и клеточной биологии и стал одним из первых шагов в создании «искусственной» жизни.
Рисунок 3. Переключатель из двух генов и гена-репортера. Оба гена (красный и синий) взаимно репрессируют друг друга (тупая стрелка), и когда экспрессия одного подавлена, второй ген активируется. В качестве инактиваторов экспрессии в этой модели используются химический агент и тепловой шок (нагревание). Второй ген активирует третий (зеленый), экспрессирующий флуоресцентный белок, свечение которого можно зарегистрировать. Рисунок автора статьи.
В настоящее время под синтетической биологией понимают создание новых биологических конструктов и систем, а также изменение природных живых систем с целью получения организма с желаемыми качествами [11]; опорой для этого служат математические модели (пример — триггер Жакоба-Моно). Первое подразумевает синтез генома de novo, второе — целенаправленное изменение уже существующего (внесение или удаление его элементов).
Минимальный геном
Рисунок 4. Схематичное изображение транспозонного мутагенеза. Рисунок автора статьи.
Минимальный геном — важная концепция в контексте синтетической биологии. Он представляет собой наименьшее число генетических элементов, которые необходимы для существования свободноживущего клеточного организма [12]. Это понятие тесно связано с видовой специфичностью и внешними факторами (должны быть обеспечены неограниченность ресурсов, оптимальные физические условия, отсутствие конкуренции) и зависит от конечной цели [13]; без учета этого такая концепция теряет свою ценность из-за неспособности поддерживать жизнь (по крайней мере, современного типа). Предпосылкой к этому стал поиск минимально необходимого числа генов [14], которое достаточно для клетки (при вышеперечисленных условиях). Для этого было проведено сравнение самого короткого генома среди свободноживущих организмов — Mycoplasma genitalium (0,58 млн п.н. (миллиона пар нуклеотидов), около 524 генов) — с геномом Haemophilus influenza (1,83 млн п.н., около 1788 генов), после чего были найдены 256 генов-кандидатов, достаточных для поддержания жизни современного типа. Помимо предсказательной модели, для поиска необходимых генов (при идеальных условиях) использовали экспериментальные подходы: транспозонный мутагенез, последовательное выключение генов и подавление генной экспрессии антисмысловыми РНК.
Рисунок 5. Механизм блокирования трансляции антисмысловой РНК. Образуя двухцепочечный комплекс (по принципу комплементарности) с матричной РНК, антисмысловая (antisense) РНК препятствует трансляции (синтезу белкового продукта гена). Рисунок с сайта www.scq.ubc.ca.
Первый подход основан на трансформации (трансфекции) клеток вектором, содержащим транспозон (мобильный, то есть способный перемещаться в геноме, элемент) и селективный маркер (например, маркер резистентности к антибиотикам), по которому можно будет отобрать бактериальные колонии, в которые попал вектор. Транспозон встраивается в гены клетки-хозяина, «разрывая» и инактивируя их (рис. 4). Если вставка произошла в жизненно необходимом гене (генах), то клетка погибает, не оставляя потомков, и колония не формируется; при этом клетка толерантна к вставкам в не жизненно важных генах (главный принцип: если ген может быть «разорван», то без него клетка может обойтись в данных условиях). Дальнейший отбор на селективной среде и изучение гено-/фенотипа позволяют установить инактивированные гены. Однако некоторые необходимые гены могут оказаться толерантными к транспозиции, а уменьшение скорости роста, которое вызывают некоторые мутировавшие «второстепенные» гены, может сформировать ложное представление об их значимости — экспериментатор рискует ошибочно принять одни за другие [15].
Направленный синтез антисмысловых РНК (РНК, которые комплементарно связываются с мРНК целевого гена, формируя двухцепочечный нетранслируемый комплекс) в клетках подавляет экспрессию гена на посттранскрипционном уровне, что используется для его целевой инактивации (рис. 5) [16]. Проблема заключается в том, что не всегда удается достичь адекватной экспрессии антисмысловой РНК, и это накладывает свои ограничения на применение такого метода. На основе вышесказанного (и с использованием некоторых других методов) в более позднем исследовании [17] было охарактеризовано 206 генов, необходимых для поддержания жизни клетки с минимальным размером генома. Генетический аппарат такой клетки кодирует почти полный набор белков, отвечающих за репликацию (белки реплисомы, вспомогательные белки), транскрипцию (полимеразы и т.д.) и менее полный комплекс белков трансляции (субъединицы рибосом, факторы трансляции), а также сильно редуцированные системы репарации ДНК и регуляции транскрипции. В этой клетке нет путей биосинтеза аминокислот, редуцирован биосинтез липидов и углеводов, а в качестве источника энергии выступает субстратное фосфорилирование — примитивный способ синтеза богатых энергией соединений (рис. 6, более детально — см. [17]).
Важность модели минимального генома заключается в возможностях лучше понять фундаментальные принципы жизни, руководствуясь более простой системой; исходная простота также помогает лучше контролировать такую систему при добавлении новых, усложняющих ее, функциональных конструктов. Имея наборы жизненно необходимых генов, можно построить более сложные модули для последующих систем (синтетических геномов), а также предсказать «уязвимые места» клеток, на которые можно воздействовать в своих целях (например, таргетное производство новых антибиотиков против патогенных организмов).
Рисунок 6. Метаболизм клетки с минимальным геномом. В белых боксах приведены классификационные номера ферментов и названия кодирующих их генов. В зеленых —промежуточные и конечные продукты метаболизма, а в розовых — источники химической энергии. Рисунок из [17].
Синтезированная жизнь
Одним из триумфов в синтетической биологии стал синтез de novo генома Mycoplasma genitalium [18, 19] (рис. 7). Бактерия с синтезированным геномом длиной более 580 т.п.н. (точнее — 582970 п.н.) получила название Mycoplasma genitalium JCVI-syn1.0 в честь института, в котором проводились работы (J. Craig Venter Institute). Использование бактерий в качестве модельной системы удобно из-за небольших размеров генома, быстрого роста бактериальных колоний и простоты трансплантации синтезированной хромосомы в клетку-реципиент. Первоначально весь геном был смоделирован на компьютере, где в межгенных областях (последовательностях ДНК между генами), толерантных к транспозиции, фрагменты ДНК иерархично собирались во всё более крупные части. На первом этапе собирались участки ДНК («кассеты», 101 штука) длиной 5–7 т.п.н. с перекрывающимися последовательностями для соединения друг с другом (последняя кассета полностью перекрывается с первой для замыкания в кольцо — типичную форму существования ДНК в бактериальных клетках) (рис. 8). Затем методами in vitro-рекомбинации (комплекс генно-инженерных методов, в основе которого — манипуляции in vitro, приводящие к образованию новых гибридных молекул ДНК) такие кассеты были собраны по четыре и в составе BAC-вектора (bacterial artificial chromosome, одна из форм передачи в клетку крупных фрагментов ДНК, в нашем случае — 10–20 т.п.н.) перенесены в E. coli для дальнейшей их наработки. (Дело в том, что без этапа многократного «размножения» в бактериях получить нормальные копии фрагментов «в пробирке» невозможно по ряду причин.)
Рисунок 7. Общая схема синтеза организмов de novo. Рисунок с сайта www.jcvi.org.
В несколько этапов из таких модулей были собраны последовательности вплоть до вставок размером ¼ генома M. genitalium, после чего возникли трудности со сборкой бόльших по размеру фрагментов ДНК. Эта проблема была решена использованием TAR-вектора (специальный вектор для клонирования в дрожжевые клетки, «искусственная хромосома») и копированием конструкций в дрожжах S. cerevisiae. Выделение вектора со вставкой синтезированного генома и последующая аннотация последнего показали идентичность смоделированной на компьютере и полученной последовательностей.
Рисунок 8. Схема сборки генома M. genitalium JCVI-syn1.0. Рисунок автора статьи.
После этого похожим способом был синтезирован геном Mycoplasma mycoides* (M. mycoides JCVI- syn1.0, рис. 9) [20], но, в отличие от предыдущего эксперимента, он был успешно трансплантирован в клетку-реципиент M. capricolum с получением жизнеспособной бактерии. Несмотря на природное происхождение плазматической мембраны и цитоплазмы, такие бактерии проявляли фенотипические признаки клеток M. mycoides. Данный эксперимент показывает функциональную релевантность искусственной хромосомы и процесс перехода от «программы» к ее «реализации».
Рисунок 9. Схема сборки генома M. mycoides JCVI-syn1.0. Рисунок из [20].
В настоящий момент экспериментаторы-«синтетики» ведут работы по минимизации размера генома M. mycoides JCVI-syn1.0, руководствуясь подходами, описанными ранее («выключение» генов в целом геноме или предсказание жизненно важных элементов и затем синтез de novo). Возможно, в скором времени число «синтетических» бактерий увеличится еще на одну, но на этот раз это будет не встречающийся в природе организм — упрощенный вариант своего природного аналога.
«Язык программирования» жизни
Создание контролируемой и отлаженной системы требует строгой типизации действий и четкого набора правил и инструкций; более того, наличие формализованного языка существенно повышает воспроизводимость результатов. Так, в 2011 году появляется «язык», на котором возможно «общаться» в контексте синтетической биологии — SBOL (Synthetic Biology Open Language) [23], чем-то напоминающий язык программирования. Он представляет собой набор стандартных компонентов (building blocks, строительных блоков), которые отражают различные генетические элементы (рис. 10). Их комбинация составляет генетические конструкты с определенными функциями, хранящиеся в виде библиотеки, благодаря чему можно пользоваться уже готовыми шаблонами (или конструктами) или уточнять их для своих нужд благодаря иерархичности языка. Таким образом, от задания последовательности нуклеотидов в геноме мы переходим к более высокому уровню сборки из комплекса последовательностей, связанных функциональной значимостью.
Рисунок 10. Графические элементы SBOL. Рисунок с сайта www.sbolstandard.org.
Камни преткновения
В связи со своей упрощенностью синтетические организмы очень требовательны к условиям роста, проигрывая в гибкости своим природным аналогам. Кроме того, значительно более медленный рост причиняет неудобства во время их изучения и практического использования (есть и обратный эффект [24]). Необходимость больших ресурсов для получения и исследования синтетических организмов также провоцирует определенные затруднения. Однако такие системы дают детальное представление о взаимодействии генов и гораздо больший контроль при добавлении различных биохимических путей. К сожалению, пока все исследования проведены на бактериях (в связи со сложностью эукариотических организмов: замысловатой эпигенетической регуляцией*, большой длиной генома и особенностями его организации), хотя сейчас совместными усилиями многих ученых реализуется проект по синтезу генома дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Synthetic Yeast 2.0) [25]. Если цель будет достигнута, то это однозначно станет новым прорывом в искусстве создания синтетической жизни — состоится переход от прокариотических организмов к эукариотическим, а в дальнейшем, возможно, и к многоклеточным существам.
* — Под этим термином понимают влияния на экспрессию генов, не затрагивающие последовательность нуклеотидов ДНК. Эпигенетические модификации хроматина просто определяют, как наследственную информацию нужно «считывать» — каким генам молчать, а каким — работать: «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре» [26], «Катится, катится к ДНК гистон» [27]. Эти модификации порой не менее значимы для здоровья человека, чем нарушающие первичную структуру ДНК мутации: «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?» [28], «Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?» [29], «Пилюли для эпигенома» [30]. — Ред.
Прикладное значение
Получив модельную систему с заранее известными свойствами, ее можно усовершенствовать в зависимости от целей, которые стоят перед исследователем. Например, добавлять наборы генов, отвечающих за желаемые биохимические пути, в том числе комбинируя их так, чтобы получать новые, не встречающиеся в природе вещества [31]. Такие организмы могут стать потенциальными источниками энергии и продуцентами топлива, а также средством биоремедиации (очистки окружающей среды с помощью биологических объектов) [32, 33]. Они могут найти свое применение в генотерапии, а знание о жизненно необходимых для клетки генах может лечь в основу производства принципиально новых антибиотиков.
Заключение
Еще с давних времен люди пытались получить живое из неживого (см. Самозарождение), и если такие методы выглядят скорее как плод фантазии, то с развитием наук о живом и появлением молекулярной биологии стало накапливаться всё больше истинных данных о функционировании живого организма и роли генома в нём. Вступив в эру геномных технологий и расшифровки ДНК, ученые получили ключевой инструмент для искусственного создания геномов, что стало предпосылкой к зарождению синтетической биологии. Но. для окончательной сборки генома и получения работающей системы всё еще нужен другой живой организм, то есть по-прежнему справедливо «omnis cellula e cellula» («клетка происходит только от другой клетки», Рудольф Вирхов). Однако быстрое развитие ДНК-технологий* и изучение систем искусственных клеток (artificial cells) [34], способных имитировать клеточное деление [35], дают надежду на то, что этому постулату в будущем будет предложена достойная альтернатива.
* — Теперь генетические инженеры могут орудовать не только «по-старинке» — in vitro, — но и прямо в живых объектах. Особую популярность приобрели системы редактирования ZFN, TALEN и CRISPR/Cas9, основанные на сайт-специфическом действии нуклеаз in vivo: «А не замахнуться ли нам на. изменение генома?» [36], «CRISPR-системы: иммунизация прокариот» [37], «Мутагенная цепная реакция: редактирование геномов на грани фантастики» [38]. Однако это не означает, что апокалипсис не за горами — контроль, контроль и ещё много раз контроль (причем на законодательном уровне) никто не отменял. Зато победу над множеством тяжелейших недугов (и старостью?) это сулить может. — Ред.