XCOD.INFO

Сотрудники Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории и Принстонского университета (США) продемонстрировали возможность создания биосенсора высокой точности и надёжности с использованием однослойного графена и находящейся в связи с ним однонитевой ДНК.

Падение интенсивности флуоресценции ДНК при добавлении графена (иллюстрация авторов работы).

Датчик будет работать по следующей схеме: сначала к графену прикрепляется фрагмент ДНК, соответствующий гену, который способствует развитию определённой болезни, после чего сборка помещается в подготовленный образец крови, слюны или другой жидкости. Если искомая ДНК «клюнет» на приманку, сенсор даст сигнал, регистрируемый системой обнаружения.

Практическую проверку этой схемы авторы начали с присоединения к ДНК молекулы, которая флуоресцирует, если ДНК находится в свободном состоянии. При добавлении графена интенсивность флуоресценции однонитевой ДНК резко снижалась, тогда как параметры свечения двухцепочечной ДНК практически не изменились. Спектроскопические исследования показали, что однонитевый вариант действительно гораздо активнее взаимодействует с графеном.

После этого учёные добавили в пробирку, содержащую обработанный графен, однонитевую ДНК с комплементарной последовательностью оснований — и обнаружили, что интенсивность флуоресценции исходной ДНК восстановилась. Следовательно, нити объединялись, и новые молекулы отделялись от поверхности графена.

Точность срабатывания такого датчика очень высока: при изменении всего одного основания в комплементарной последовательности и добавлении такой ДНК в пробирку интенсивность флуоресценции также повышалась, но доходила лишь до половины того значения интенсивности, которое даёт «идеальная» комплементарная последовательность.

Кроме того, графен продемонстрировал способность защищать ДНК от воздействия разрушающего её фермента (дезоксирибонуклеазы). В эксперименте однонитевые ДНК, связанные с графеном и помещённые в пробирку с дезоксирибонуклеазой, сохраняли целостность в течение как минимум 60 минут.

«Простота конструкции датчика и его надёжность позволяют надеяться на то, что наша разработка когда-нибудь будет использоваться для диагностирования болезней, — резюмирует один из авторов работы Юэхэ Линь (Yuehe Lin). — Сейчас мы собираемся выяснить, нельзя ли найти применение защитным свойствам графена в генной терапии».

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Small.

Подготовлено по материалам Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории.

Генетики из США проанализировали геномы родителей и двух их детей и определили, какое число новых мутаций появляется при смене поколений.

Карта генома, на которой линиями соединяются гены-ортологи с хромосомы 1 человека (нижняя часть кольца) и хромосом 1 (вверху слева) и 3 мыши (иллюстрация Science Photo Library).

В выбранной авторами семье у обоих родителей присутствовали рецессивные гены, действие которых привело к тому, что у детей проявились редчайшие синдромы Миллера и Картагенера. Синдром Миллера характеризуется нарушениями развития конечностей, верхней челюсти, расщеплением нёба и обнаруживается у одного человека из миллиона. Синдром Картагенера, встречающийся чаще, у одного человека из 10 тысяч, связан с нарушениями работы ресничек, удаляющих слизь, в дыхательных путях. Вероятность одновременного проявления обоих синдромов не превышает 10^-10.

Сравнивая расшифрованные геномы, ученые определили набор из четырех генов, которые могут быть связаны с развитием этих синдромов.

Исследователи также установили, что у детей в этой семье появилось приблизительно по 70 новых мутаций — примерно в два раза меньше, чем предполагалось. «Новая оценка несколько трансформирует наши представления о наследственной изменчивости, но это далеко не главное, — отмечает участник исследования Дэвид Галас (David Galas) из Института системной биологии. — Важнее другое: наша работа отмечает начало нового этапа развития генетики, на котором сведения о геноме каждого члена семьи приобретают практическое значение. Надеюсь, в не слишком отдаленном будущем расшифровка генома станет обычной частью медицинской карты человека».

Полная версия отчета опубликована в журнале Science.

Подготовлено по материалам Nature News.

По словам учёных, это исследование – “начало создания параллельного нашему уникального генетического кода” и однозначный прорыв в синтетической биологии (иллюстрация Hybrid Medical Animation).

Учёные придумали, как заставить клетку синтезировать белки сразу из нескольких нестандартных (неприродных) аминокислот по заранее заданному сценарию. Достижение продемонстрировала группа специалистов из Кембриджа во главе с Джейсоном Чином (Jason Chin).

Напомним, всего в природе существуют четыре “буквы” генетического кода: аденин, гуанин, цитозин и тимин (A, G, C, T), которые прочитываются рибосомами (органеллами, отвечающими за синтез белков) группами по три буквы. Каждое сочетание трёх “букв” – кодон – закреплено за какой-либо конкретной аминокислотой (некоторые, впрочем, кодируют одну и ту же) или окончанием процесса синтеза.

Всего имеется 64 кодона, благодаря которым любой земной организм синтезирует белки из двух десятков основных аминокислот (не считая ещё пары-тройки очень редких). Однако строить на основе этого алфавита совершенно новые аминокислоты и встраивать их в белки – затруднительно. Тут уже приходится говорить не об избыточности, а о недостаточности природного кода.

Как сообщается в опубликованной журналом Nature статье, учёные из Кембриджа заставили органеллы бактерий кишечной палочки по-новому прочитывать ДНК: а именно распознавать нуклеотиды — буквы кода — в группах сразу по четыре, а не по три, как это происходит во всех живых организмах.

Таким образом, было получено 256 комбинаций нуклеотидов, из которых большинство не соответствовали каким бы то ни было существующим аминокислотам. Команда Чина не остановилась на достигнутом – ей удалось получить две искусственные аминокислоты в белках E. coli.

Дисульфидная связь между искусственными аминокислотами в белках оказалась намного прочнее, чем у природных. Это делает новую разработку идеальным сырьем для применения в фармацевтических препаратах, основанных на активных белковых молекулах (иллюстрация Jason Chin et. al/Nature).

“Внедрение” спроектированных аминокислот в структуру стандартных белков мы уже видели, однако до сих пор учёным не доводилось работать более чем с одной “лишней” аминокислотой в белке сразу. Потому учёные и решили обойти эту проблему, изменив метод интерпретации кода ДНК при сохранении прежних четырёх составляющих его “букв”.

Заметим, не так давно мы рассказывали о любопытном проекте одного из пионеров синтетической биологии – Стивена Бреннера (Steven A. Brenner). Учёный подошёл к вопросу искусственного генетического кода радикально — синтезировав ещё восемь совершенно иных нуклеотидов, получивших названия Z, P, V, J, Iso-C, Iso-G, X и K. Вместе с четырьмя традиционными A, G, C, T они составили 12-буквенный алфавит, вполне способный записывать генетическую информацию. Способность такой ДНК к работе внутри клетки ещё не проверена.

Европейские ученые провели анализ ДНК, полученной из волоса человека, жившего на территории Гренландии более 4000 лет назад. Исследователи говорят, что благодаря хранению биологического материала в условиях вечной мерзлоты, у современных людей есть возможность буквально увидеть, как выглядели предки современных жителей северной Европы, севера России и Урала и дальнего Востока.

Ученые говорят, что судя по анализу ДНК человек был похож на современных эскимосов: у него были темные волосы, карие глаза, он был склонен к облысению. Подобные данные сегодня были представлены в научном журнале Nature, причем группа исследователей утверждает, что им впервые удалось провести полный анализ ДНК древнего человека.

На основании полученных данных палеонтологи берутся утверждать, что предки этого человека обитали на территории современной восточной Сибири. Условно 4000-летнего человека ученые называют Инук, что значит Человек на одном из диалектов гренландского.

“Можно сказать совершенно точно, что этот человек жил в Гренландии, но его данные говорят о том, что он не является прямым предков современных обителей этого острова”, - говорит профессор Эске Виллерслев из Университета Копенгагена, принимавший участие в исследовании.

Исследователи на основании анализа генома также установили, что Инук принадлежал к Саккакской культуре. Представители этой народности проживают на западе Гренландии. Данные генного анализа также говорят о довольно низком уровне метаболизма в организме человека, что является нормой для народностей, проживающих в холодных северных районах.

Представители саккакской культуры в основном занимались охотой на тюленей и морских птиц. В целом, значительную часть своего рациона питания они брали из моря. Прежние археологические исследования показали, что жили эти народности в крошечных палатках, которые позволяли сохранять тепло в зимний период. “Эти люди жили в очень суровых условиях, удивительно как им тут удавалось выживать”, - говорит Виллерслев.

Также ученые пришли к выводу, что Инук обладал довольно крупными и крепкими зубами, кроме того этот конкретный человек был подвержен некой ушной инфекции, которая возникла, вероятно, в результате простуды.

“Скорее всего, этот человек умер сравнительно молодым, так как его гены предвещали ему полную потерю волос с возрастом, однако на момент смерти у него на голове был еще довольно обильный волосяной покров. С генетической точки зрения, Инук был довольно близким родственником современных чукчей и коряков. Кроме того, ученые полагают, что эти же народности чуть позже стали основными обитателями Северной Америки.

Исследователи говорят, что саккаки начали процесс расселения из севера-восточной части Сибири примерно 5500 лет назад. Именно они послужили фундаментом, на котором возникли последующие поколения племен североамериканских индийцев и интуитов. Правда, сейчас исследователи пока не могут понять, как именно людям удалось преодолеть Атлантический океан или Тихий океан.

“В то время не было никакого перехода между Сибирью и Аляской, поэтому преодолевать расстояние приходилось либо через полярные широты, где большую часть года есть лед, либо при помощи крупных самодельных лодок”, - говорит Виллерслев.

Связь между геномной и адаптивной эволюцией довольно трудна для изучения и имеет свои законы. В частности, полезные мутации появляются с удивительной равномерностью, нейтральные же крайне непостоянны, – утверждают авторы эксперимента (фото G.L. Kohuth/Michigan State University).

Подведены предварительные итоги опыта, который специалисты из университета Мичигана (Michigan State University) вели на протяжении 21 года. Титанический эксперимент по наблюдению за работой естественного отбора поможет в медицинских исследованиях и развитии биотехнологий.

Ричард Ленски (Richard Lenski), почётный профессор микробиологии, ещё в 1988 году начал выращивать быстро воспроизводящиеся культуры одноклеточной бактерии E. coli. Учёный считал, что если генетическая мутация даёт кишечной палочке преимущество в борьбе за пищу, то это правило должно распространяться и на всю популяцию.

Сначала команда Ленски периодически замораживала бактерии для последующего изучения, затем была разработана технология полноценного генетического секвенирования.

Jeffrey Barrick) (фото G.L. Kohuth/Michigan State University).

К 20-тысячному поколению бактерий исследователи обнаружили в живых клетках 45 мутаций. Они, в полном соответствии с теорией Дарвина, принесли определённые преимущества своим владельцам.

В поколении “26 тысяч” возникла мутация, влияющая на метаболизм ДНК, после чего частота мутаций по всему геному возросла драматически и к сорокатысячному поколению достигла отметки в 653, но учёные не уверены, что все они были полезными.

Мутации генов, участвующих в репликации ДНК человека, наблюдаются при некоторых видах рака и микробных инфекциях. “Прогрессирование болезни, в принципе, аналогично эволюционному процессу, — говорят учёные. – Эксперименты, подобные этому, помогают нам лучше понять ход этих заболеваний”.

Хотя эволюция по Дарвину уже подтверждалась другими исследованиями (к примеру, мы рассказывали о предоставивших доказательства птицах , насекомых и динозаврах), она никогда прежде не моделировалась столь детально и в течение такого количества циклов. Статья о результатах многолетней работы Ленски со товарищи опубликована в Nature. Детали также можно найти в пресс-релизе университета.

Как ДНК, состоящей примерно из 3 миллиардов пар оснований, удаётся обеспечить доступ ко всем своим генам? (фото Bang Wong/Broad Institute)

Над созданием объёмной модели человеческого генома трудились учёные нескольких университетов США. Их работа позволит лучше изучить функции двойной спирали и то, как она приобретает свою необыкновенно сжатую форму внутри ядра клетки.

“Всем известно, что ДНК представляет собой двойную спираль. Но как эта почти двухметровая цепь умещается в ядре, диаметр которого составляет сотые доли миллиметра? Даже учёные в этом разобрались не до конца. Выяснением этого вопроса мы и занялись”, — рассказывает Эрез Либерман-Айден (Erez Lieberman-Aiden) из Гарварда.

Достичь столь впечатляющего результата генетикам помог разработанный ими метод, который они сами называют Hi-C. Благодаря этой технологии учёным удалось исследовать положение всех генов, даже тех, что находятся очень близко друг к другу.

“Мы разбили геном на множество кусков, создали пространственную карту, показывающую, насколько близко отдельные части находятся друг к другу. Затем с помощью компьютера собрали всё воедино”, — рассказывает в пресс-релизе Гарварда один из исследователей Нейнке ван Беркюм (Nynke van Berkum).

В результате учёные сделали два основных вывода. Во-первых, человеческий геном “разбит” на два отсека: в первом хранятся активные гены, во втором более плотно изолированы “ненужные” части ДНК. Более того между двумя частями происходит постоянный обмен включающимися и выключающимися генами.

“Клетка поступает очень умно, выставляя активные гены в особую зону, где они легкодоступны для белков и прочих веществ”, — говорит другой исследователь Джоб Деккер (Job Dekker).

Второй вывод: геном представляет собой “фрактальную глобулу” (fractal globule). Эта структура позволяет:

• упаковать ДНК невероятно компактно: плотность информации в ядре примерно в триллионы раз выше, чем в среднестатистическом компьютерном чипе;
• избежать образования узлов или запутанных фрагментов, которые бы помешали нормальной работе ДНК;
• быстро складываться и раскладываться геному во время активации и репрессии генов, репликации клетки.

Отметим, что ранее считалось, будто ДНК упакована в виде “равновесной глобулы” (equilibrium globule). Однако это конфигурация легко образует множество узлов. Фрактальная же глобула, которую теоретически предсказали около 20 лет назад, в живой природе никогда раньше не наблюдалась.

Статья авторов работы опубликована в Science, она даже удостоилась первой страницы журнала. Посмотрим, получат ли американские генетики за своё “открытие” Нобелевку (напомним, что лауреатами престижной премии недавно стали химики, раскрывшие в своё время трёхмерное строение рибосом).

Кстати, в дальнейшем учёные планируют разглядеть геном в ещё бóльших подробностях (пока достигнуто разрешение вплоть до одного миллиона пар оснований).