합성 유전체학

Synthetic genomics

합성 유전체학은 새로운 DNA 또는 전체 생명체를 만들기 위해 기존의 생명체에 대한 유전자 변형이나 인공 유전자 합성의 측면을 사용하는 합성 생물학의 초기 분야이다.

개요

합성유전체학은 유전자 변형과 달리 자연발생 유전자를 생명체에 사용하지 않는다는 점에서 다르다.이것은 맞춤형으로 설계된 염기쌍 시리즈를 사용할 수 있지만, 더 확장되고 현재 실현되지 않은 의미에서 합성 유전체학은 현재 생명체가 사용하는 두 의 염기쌍으로 구성되지 않은 유전자 코드를 사용할 수 있다.

합성 유전체학의 발달은 유전학 분야에서 최근의 특정한 기술적 능력과 기술과 관련이 있다.긴 염기쌍 사슬을 저렴하고 정확하게 대규모로 구성할 수 있는 능력은 연구자들이 자연에 존재하지 않는 게놈에 대한 실험을 할 수 있게 해 주었다.단백질 접이식 모델의 발전과 컴퓨터 비용의 감소와 함께, 분야 합성 유전체학은 생산적인 활력 단계로 진입하기 시작하고 있다.

역사

연구자들은 [1]2010년에 처음으로 합성 유기체를 만들 수 있었다.이러한 돌파구는 맞춤형 [2]게놈의 연구와 상업화를 전문으로 하는 Synthetic Genomics, Inc.에 의해 이루어졌다.Gibson Assembly method and Transformation Associated [3]Redembration을 통해 600kbp 게놈(Mycoplasma generalium을 합성하고 워터마크 몇 개를 삽입하지 않음)을 합성하여 달성하였다.

재조합 DNA 기술

제한 핵산 분해 효소와 결합 효소의 발견 직후, 유전학 분야는 합성 또는 자연적으로 발생하는 DNA의 작은 조각들로부터 인공적인 염기서열을 조립하기 위해 이러한 분자 도구를 사용하기 시작했습니다.연속적인 DNA 합성에 반하여 재조합적 접근법을 사용하는 것의 장점은 합성 DNA 길이와 합성 길이의 순도 비율 사이에 존재하는 역관계에서 비롯된다.즉, 긴 시퀀스를 합성할수록 현재 기술의 [4]고유한 오류율에 따라 오류가 포함된 클론의 수가 증가합니다.재조합 DNA 기술은 핵융합 단백질과 플라스미드를 만드는 데 더 많이 사용되지만, 더 큰 용량을 가진 몇 가지 기술들이 등장하여 [5]전체 게놈을 구성할 수 있게 되었다.

중합효소 사이클링 어셈블리

중합효소 사이클링 어셈블리.파란색 화살표는 약 20bp의 겹치는 영역을 가진 올리고뉴클레오티드 40~60bp를 나타낸다.최종 게놈이 구성될 때까지 주기가 반복됩니다.

중합효소 순환조립체(PCA)는 합성되는 DNA의 양쪽 가닥을 모두 구성하는 약 40~60뉴클레오티드(또는 올리고)를 사용한다.이러한 올리고들은 한 가닥의 단일 올리고가 반대쪽 가닥에 있는 두 개의 서로 다른 올리고의 배열에 상보적인 약 20개의 뉴클레오티드를 양 끝에 포함하도록 설계되어 겹치는 영역을 생성한다.전체 세트는 (a) 60 °C에서 잡종화, (b) Taq 중합효소 및 표준 리가아제를 통한 신장, (c) 95 °C에서 변성되어 점진적으로 긴 연속 가닥을 형성하여 최종 [6]게놈을 생성한다.PCA는 역사상 최초의 합성 게놈인 Phi X 174 바이러스를 [7]생성하는데 사용되었다.

깁슨 조립법

깁슨 조립법파란색 화살표는 DNA 카세트를 나타냅니다. 예를 들어 각각 6kb 크기의 모든 DNA 카세트를 나타냅니다.주황색 세그먼트는 동일한 DNA 서열의 영역을 나타냅니다.이 프로세스는 여러 초기 카세트로 수행할 수 있습니다.

Daniel Gibson이 J. Craig Venter Institute에서 일하는 동안 고안한 Gibson 조립 방법은 전체 게놈을 구성하는 이중 가닥 DNA 카세트 세트를 합성해야 합니다.카세트는 재조합을 위해 다른 카세트에 대한 호몰로지 영역을 포함한다는 점에서 정의상 콘티그와 다릅니다.중합효소 사이클링 어셈블리와는 대조적으로 깁슨 어셈블리는 단일 단계의 등온 반응으로 배열 길이 용량이 더 큽니다. 에르고는 6kb보다 큰 게놈에 대해 중합효소 사이클링 어셈블리 대신 사용됩니다.

T5 엑소핵산가수분해효소는 말단 세그먼트에서 5'~3' 방향으로 작용하여 상보적인 오버행을 생성한다.돌출부는 서로 교배되고, 퓨전 DNA 중합효소는 결핍된 뉴클레오티드를 채우고, 상처는 연결효소로 봉합됩니다.그러나, DNA 카세트의 길이가 증가함에 따라, 그들은 계속 교배하기 위해 시험관내 전파를 필요로 하기 때문에, 이 방법만을 사용하여 합성될 수 있는 게놈은 제한된다. 따라서, 깁슨 어셈블리는 종종 변형 관련 재조합(아래 참조)과 함께 게놈을 합성하기 위해 사용된다.dkbases [8]사이즈

형질전환관련재조합

갭 리페어 클로닝파란색 화살표는 DNA 콘티뉴를 나타냅니다.같은 색의 세그먼트는 보완적이거나 동일한 시퀀스를 나타낸다.DNA 콘티그 말단에서 호몰로지 영역을 생성하기 위해 중합효소 연쇄반응에서 확장을 가진 특수 프라이머를 사용한다.

합성 유전체학에서 형질전환관련재조합(TAR) 기술의 목표는 효모 인공염색체(YAC)에 의해 수행되는 상동재조합을 통해 DNA 콘텐트를 결합하는 것이다.중요한 것은 효모 동원체에 해당하는 YAC 벡터 내의 CEN 원소이다.이 염기서열은 벡터가 염색체 방식으로 행동할 수 있는 능력을 줌으로써 상동 [9]재조합을 수행할 수 있게 한다.

변환 관련 재조합.교차 이벤트는 카세트와 YAC 벡터에 걸친 호몰로지 영역 간에 발생하며, 따라서 작은 DNA 시퀀스를 하나의 큰 콘티그에 연결합니다.

우선 DNA 콘티그 옆에 있는 호몰로지 영역을 생성하기 위해 갭 리커버리 클로닝을 실시한다.Gap Repair Cloning은 DNA 타겟의 배열을 넘어 확장되는 특수 프라이머[10]사용하는 중합효소 연쇄 반응의 특정 형태입니다.그런 다음 DNA 카세트가 YAC 벡터에 노출되고, YAC 벡터는 상동 재조합 과정을 구동하여 DNA 카세트를 연결합니다.중합효소 사이클링 어셈블리와 TAR 기술은 2008년 600kb 마이코플라스마 제니탈리움 게놈을 구축하기 위해 함께 사용되었으며,[11] 이는 사상 최초의 합성 유기체입니다.몇 년 후,[12] 더 큰 마이코플라스마 마이코이데스 게놈을 합성하는데 있어서 비슷한 단계가 취해졌다.

부자연스러운 베이스 페어(UBP)

부자연 염기쌍(UBP)은 실험실에서 생성되고 자연에서는 발생하지 않는 DNA의 설계 서브유닛(또는 핵염기)이다.2012년에 플로이드 E가 이끄는 미국 과학자 그룹이 있었다. 캘리포니아 샌디에고에 있는 스크립스 연구소의 화학 생물학자인 롬스버그는 그의 팀이 부자연스러운 염기쌍을 [13]설계했다고 발표했다.두 개의 새로운 인공 뉴클레오티드 또는 부자연스러운 염기쌍(UBP)은 d5SICSdNaM으로 명명되었다.좀 더 기술적으로, 소수성 핵산염기를 가진 이러한 인공 뉴클레오티드는 DNA에서 [14][15](d5SICS–dNaM) 복합체 또는 염기쌍을 형성하는 두 개의 융합 방향족 고리를 특징으로 한다.2014년 스크립스 연구소의 같은 팀은 자연 T-A와 C-G 염기쌍을 포함하는 플라스미드로 알려진 원형 DNA를 UBP 롬스버그의 연구소가 설계한 가장 뛰어난 성능의 UBP Romesberg의 실험실과 합성하여 부자연스러운 복제를 성공적으로 수행한 일반적인 박테리아 대장균의 세포에 삽입했다고 보고했습니다.기본 쌍을 여러 [16]세대에 걸쳐 만듭니다.이것은 살아있는 유기체가 확장된 유전자 코드를 따라 다음 [14][17]세대에 전달되는 최초의 알려진 사례이다.이는 부분적으로 d5SICSTP와 dNaMTP의 트리포스페이트를 대장균[14]효율적으로 수입하는 뉴클레오티드 삼인산 트랜스포터를 발현하는 지지 조류 유전자를 추가함으로써 달성되었다.그런 다음 자연 세균 복제 경로는 d5SICS–dNaM을 포함하는 플라스미드를 정확하게 복제하기 위해 이들을 사용한다.

세 번째 염기쌍의 성공적인 통합은 DNA에 의해 암호화될 수 있는 아미노산의 수를 기존의 20개의 아미노산에서 이론적으로 가능한 172개로 크게 확장함으로써 생물들이 새로운 [16]단백질을 생산할 수 있는 가능성을 확장하는 목표를 향한 중요한 돌파구이다.DNA의 인공 문자열은 아직 아무 의미도 없지만, 과학자들은 그것들이 산업적 또는 [18]의약적으로 사용될 수 있는 새로운 단백질을 생산하도록 설계될 수 있다고 추측한다.

컴퓨터로 만든 양식

2019년 4월, ETH 취리히의 과학자들Caulobacter ethensis-2.0이라는 이름의 세계 최초의 박테리아 게놈이 완전히 컴퓨터에 의해 만들어졌다고 보고했지만, 이와 관련된 C. ethensis-2.0은 아직 [19][20]존재하지 않는다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  4. ^ Montague, Michael G; Lartigue, Carole; Vashee, Sanjay (2012). "Synthetic genomics: potential and limitations". Current Opinion in Biotechnology. 23 (5): 659–665. doi:10.1016/j.copbio.2012.01.014. PMID 22342755.
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외부 링크