Wissenschaftler routinemäßig versuchen, Bakterien neu zu programmieren , um Proteine für Medikamente , Biokraftstoffe und mehr zu produzieren , aber sie kämpfte, um diese Fehler zu erhalten , Befehle zu befolgen haben . Aber eine versteckte Funktion des genetischen Codes , es stellt sich heraus , könnte Bugs mit dem Programm zu bekommen. Die Funktion steuert, wie viel der gewünschten Proteins Bakterien produzieren , ein Team aus der Wyss Institut für Biologisch inspirierte Engineering an der Harvard University berichtet in der 26. September Online- Ausgabe von Science .
Die Ergebnisse könnten ein Segen für Biotechnologen , und sie könnte dazu beitragen, synthetischen Biologen umprogrammieren Bakterien , um neue Medikamente und biologische Geräte.
Durch die Kombination von High-Speed " nächsten Generation " DNA-Sequenzierung und DNA-Synthese -Technologien , Sri Kosuri , Ph.D., ein Wyss Institut wissenschaftlicher Mitarbeiter , George Church , Ph.D., ein zentrales Mitglied der Fakultät an der Wyss Institut und Professor für Genetik an der Harvard Medical School, und Daniel Goodman, einem Wyss Institut Graduiertenforschungsstipendiat, festgestellt, dass die Verwendung von mehr seltene Wörter oder Codons , in der Nähe der Beginn eines Gens entfernt Straßensperren , um die Proteinproduktion .
"Jetzt, da wir verstehen, wie seltene Codons Kontrolle der Genexpression , können wir besser vorherzusagen , wie Gene, die Enzyme , Medikamente zu machen, oder wie man in einer Zelle machen wollen synthetisieren ", sagte Kosuri .
Um ein Protein zu produzieren , muss eine Zelle zuerst Arbeitskopien der sie kodierenden Gens . Diese Kopien , die so genannte Messenger-RNA ( mRNA) , bestehen aus einer bestimmten Folge von Wörtern oder Codons . Jedes Codon für eine der 20 verschiedenen Aminosäuren , die Zellen verwenden, um Proteine zu montieren. Aber da die Zelle verwendet 61 Codons zu 20 Aminosäuren darstellen , viele Codons Synonyme, die die gleiche Aminosäure darstellen .
In Bakterien, wie in Bücher, ein paar Worte sind häufiger als andere verwendet , und Molekularbiologen haben sich in den letzten Jahren aufgefallen, dass seltene Codons häufiger erscheinen in der Nähe der Beginn eines Gens. Was mehr ist, Gene, deren Eröffnungssequenzenseltener Codons produziert mehr Protein als Gene, deren Eröffnungssequenzen nicht.
Niemand wusste genau, warum seltene Codons hatten diese Effekte , aber viele Biologen vermutet , dass sie als eine Autobahnauffahrtzur Ribosomen, die molekularen Maschinen, die Proteine bauen funktionieren . Nach dieser Vorstellung , genannt das Codon Rampe Hypothese warten Ribosomen auf der Auffahrt , dann langsam beschleunigt entlang der Autobahn mRNA , wodurch die Zelle auf Proteine mit aller beabsichtigten Geschwindigkeit vorzunehmen. Aber ohne die Auffahrt , die Ribosomen Pistole nach unten die mRNA Autobahn, dann kollidieren wie Autoscooter , was zu Verkehrsunfällen , dass langsame Proteinproduktion . Andere Biologen Verdacht seltene Codons über verschiedene Mechanismen gehandelt . Dazu gehören mRNA Falten , die Straßensperren für Ribosomen , die die Autobahn und langsame Proteinproduktion blockieren schaffen könnte .
Um zu sehen, welche Ideen richtig waren , nutzten die drei Forscher eine Hochgeschwindigkeits- Multiplex- Verfahren , die sie im August in den Proceedings der National Academy of Sciences berichtet würde .
Zunächst untersucht sie , wie gut seltene Codons aktiviert Gene, die durch die Massenproduktion von 14.000 Schnipsel von DNA mit entweder gemeinsam oder seltene Codons ; Spleißen sie in der Nähe der Start eines Gens, das Zellen leuchten grün macht , und das Einfügen jeder dieser Hybrid- Gene in verschiedenen Bakterien. Dann wurde sie diese Fehler , sortiert sie in Behältern auf, wie intensiv sie glühte , und sequenziert die Schnipsel für seltene Codons zu suchen.
Sie fanden, dass Gene, die mit seltenen Codons geöffnet konsequent gemacht mehr Protein , und ein einzelnes Codon Änderung könnte Zellen zu 60 -mal mehr Eiweiß machen voranzutreiben.
"Das ist eine große Sache für die Zelle , besonders wenn Sie zu pumpen viel des Proteins du machst wollen", sagte Goodman .
Die Ergebnisse waren auch mit der Codon - Rampe Hypothese, die prognostiziert, dass seltene Codons selbst , anstatt gefaltet mRNA , langsame Proteinproduktion . Aber die Forscher auch festgestellt , dass je mehr mRNA gefaltet ist, desto weniger des entsprechenden Proteins sie produziert - ein Ergebnis, das die Hypothese untergraben .
Um die Hypothese zu einem endgültigen Beweis stellen , machte die Wyss Team und getestet mehr als 14.000 mRNAs - darunter auch einige mit seltenen Codons , die nicht gut geklappt , und andere, die gut geklappt hatte aber keine seltene Codons . Durch schnelles Messproteinproduktionvon jeder mRNA und die Ergebnisse der Analyse statistisch , sie die beiden Effekte zu trennen könnte .
Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die RNA-Faltung , nicht seltene Codons , kontrollierten Proteinproduktion , und dass die Wissenschaftler die Proteinproduktion durch Veränderung Falten zu erhöhen, sagte Goodman .
Die neue Methode könnte dazu beitragen, lösen andere heikle Debatten in der Molekularbiologie. "Die Kombination von Hochdurchsatz- Synthese und die Next-Gen- Sequenzierung ermöglicht es uns, große , komplizierte Fragen , die bisher nicht möglich, neben necken waren zu beantworten, " sagte Kirche .
"Diese Ergebnisse auf Codon- Nutzung könnten Wissenschaftler Ingenieur Bakterien genauer als je zuvor helfen , die enormen an sich ist , und sie bieten eine Möglichkeit, die Effizienz der mikrobiellen Herstellung, die großen kommerziellen Wert als auch haben könnte erheblich steigern ", sagte Wyss Institut Gründungsdirektor Don Ingber , MD, Ph.D. " Sie unterstreichen auch die unglaubliche Wert der neuen automatisierten Technologien, die von der Synthetischen Biologie -Plattform , die George führt hervorgegangen sind , die uns ermöglichen, zu synthetisieren und Gene schneller analysieren als je zuvor. "