FOLIA 1
GENOMIKA
PROTEOMIKA
METABOLOMIKA
TRANSKRYPTOMIKA
Metody sztucznej rekombinacji DNA nie tylko umożliwiły powstanie
nowych niezwykle użytecznych narzędzi do badania podstawowych
mechanizmów funkcjonowania żywych komórek, lecz także przyczyniły
się do rozwoju całkowicie nowych działów technologii. W niektórych
przypadkach białka, a także żywe komórki uzyskane w wyniku
manipulacji genetycznych zaczynają odgrywać ważną rolę w naszym
życiu. Najbardziej spektakularnych przykładów dostarcza farmakologia i
medycyna. Jednym z pierwszych białek, które dzięki zastosowaniu metod
inżynierii genetycznej mogło być wytwarzane jako produkt handlowy, była
ludzka insulina produkowana w komórkach bakterii E.coli.
Jednak aby manipulacje genami były możliwe, konieczne było zdobycie
wiedzy na temat ich sekwencji, funkcji i zmienności itp.
Na przełomie XX I XXI wieku powstała nowa dziedzina nauki:
GENOMIKA.
FOLIA 1
GENOMIKA
Jest to nauka zajmującą się badaniem pełnych genomów
– czyli kompletnej informacji genetycznej danego
organizmu. Jest kontynuacją powstałej w XX wieku
genetyki molekularnej.
Poznanie pełnych sekwencji DNA różnych organizmów
otworzyło drogę do poszukiwania praw rządzących
całymi genomami, niewykrywalnych na poziomie
pojedynczych genów.
Mapa genomu bakterii Bacillus Anthracis
FOLIA 1
Ważnym krokiem w tej dziedzinie był:
Projekt Poznania Ludzkiego Genomu
( ang. Human Genom Project)
rozpoczęty w
1990 roku
przez:
Departament Energii USA
(ang. U.S. Department of Energy)
i
Narodowy Instytut
Zdrowia
(ang. U.S. National Institutes of Health)
które przeznaczyły na ten cel:
3 mld $
Do projektu należały następujące państwa:
⇒
Chiny
⇒
Francja
⇒
Niemcy
⇒
Japonia
⇒
Wielka Brytania
⇒
USA
FOLIA 1
Efekt:
•
W 2000 roku opublikowano wstępny opis
genomu człowieka;
•
14 kwietnia
roku
2003
opublikowano
dokument
stwierdzający zakończenie
sekwencjonowania 99% genomu z trafnością
99,99%;
•
zakończenie badań planuje się na rok 2005;
FOLIA 1
Firmy wnoszące największy wkład
w senkwencjonowanie ludzkiego genomu:
•
Celera Genomics
•
Applied Biosystems
•
Perkin Elmer
•
Millipore
•
Agilent
FOLIA 1
Do tak szybkiego zakończenia projektu przyczynił się udział prywatnej
korporacji
Celera Genomics
. Firma ta opracowała technikę
szybkiego
sekwencjonowania (ang. shotgun sequencing)
. Sprowadzała się ona do
szatkowania całego DNA na drobne fragmenty i analizowania ich zawartości.
Program komputerowy zbierał uzyskane kombinacje par komplementarnych w
swojej pamięci. Dzięki wyszukiwaniu podobieństw możliwe stało się ponowne
uporządkowanie pociętych genów w całość. Jednak w odróżnieniu od
organizacji rządowych Celera Genomics postanowiła zablokować dostęp do
odkrytych przez siebie sekwencji korzystając z prawa patentowego.
Konkurencja pomiędzy naukowcami z żyłką do interesów oraz tymi
finansowanymi z budżetu doprowadziła do ciekawej sytuacji. Naukowcy
umówili się, że opublikują dane w lutym
2001
roku, ale w różnych
czasopismach naukowych. Badacze z instytucji rządowych umieścili swój
artykuł w
Nature
, a konkurencja z Celera Genomics w
Science
. Okazało się, że
naukowcy poznali 90% genomu. Co ciekawsze praca obu zespół raczej się
uzupełniała niż dublowała. Wynikało to, z innych technik badawczych.
FOLIA 1
Po tym, jak naukowcom udało się poznać pełną sekwencję ludzkiego genomu
(czyli wszystkich genów człowieka) niektórym wydawało się, że osiagnęliśmy
niebywały sukces i posiedliśmy nie tylko wiedzę o istocie funkcjonowania
naszego organizmu, ale i potężne narzędzie walce z licznymi chorobami
(rakiem, chorobą Alzheimera, Parkinsona itp.). To był jednak dopiero
początek. Sama znajomość naszych genów niewiele daje. Istotą rzeczy jest
poznanie białek, które są kodowane przez geny. To białka są podstawą
funkcjonowania naszego organizmu. Bez nich nie mogą obejść się żadne
procesy fizjologiczne. Białkami są np. enzymy trawiące pokarm, hemoglobina
przenosząca tlen we krwi, bez białek nie mogą funkcjonować również same
geny.
Nic więc dziwnego, że w 2000 roku, kiedy widać już było rezultaty Projektu
Poznania Ludzkiego Genomu, rozpoczęto kolejny:
Projekt Poznania Ludzkiego Proteomu.
Rozwija się nowa gałąź biologii molekularnej:
PROTEOMIKA
PROTEOMIKA
FOLIA 1
Nauka zajmująca się badaniem organizacji, składu oraz budowy ogółu białek organizmu (tzw.
proteomu)
Zadania proteomiki:
1.
Analiza wzajemnego oddziaływania białek w komórce.
2.
Wyjaśnienie roli białek w powstawaniu nowotworów.
3.
Przewidywanie wyników leczenia białaczek.
4.
Wczesne wykrywaniem nowotworów.
FOLIA 1
PROTEOMIKA
Nauka zajmująca się badaniem organizacji, składu oraz budowy ogółu białek organizmu (tzw.
proteomu)
Zadania proteomiki:
5.
Analiza wzajemnego oddziaływania białek w komórce.
6.
Wyjaśnienie roli białek w powstawaniu nowotworów.
7.
Przewidywanie wyników leczenia białaczek.
8.
Wczesne wykrywaniem nowotworów.
FOLIA 1
Wszystko jednak wskazuje na to, że będzie to orzech trudny do zgryzienia.
Genom – zawierający kompletną informację genetyczną organizmu – jest tylko
zbiorem przepisów na syntezę białek, a to one przede wszystkim tworzą
komórki oraz realizują większość ich zadań. O ile genów ludzkich jest
stosunkowo niewiele, ok. 40 tys., o tyle liczba białek jest o dwa do trzech
rzędów wielkości wyższa. Dodatkowo, proteom, czyli wszystkie białka
organizmu, zmienia się w zależności od tkanki, stanu fizjologicznego, choroby,
warunków w jakich organizm się znajduje. Inny jest proteom człowieka
zdrowego, inny chorego. Co więcej: inny jest proteom człowieka przed i po
śniadaniu! Sytuację komplikuje fakt, że techniki stosowane w proteomice -
wymagają skomplikowanego i kosztownego sprzętu.
Dwie podstawowe techniki proteomiczne to elektroforeza dwuwymiarowa (w
skrócie 2D) oraz spektrometria masowa (MS).
Zautomatyzowane urządzenie do elektroforezy dwuwymiarowej.
FOLIA 1
Kiedy izoluje się białka z tkanki, w efekcie otrzymuje się mieszaninę bardzo
wielu białek, różniących się wielkością i właściwościami fizykochemicznymi.
2D polega na rozdziale tej mieszaniny w specjalnym żelu. Najpierw białka
rozdziela się pod względem wielkości, a potem pod względem ich ładunku
elektrochemicznego. W wyniku tych manipulacji otrzymuje się obraz wielu
plamek, z których każda odpowiada jednemu białku. Jeżeli porównamy w ten
sposób obraz białkowy tkanki człowieka zdrowego i cierpiącego na jakąś
chorobę, to możemy odkryć białko "x" nie występujące w zdrowej tkance,
natomiast obecne u pacjenta. To białko może być odpowiedzialne za chorobowe
zmiany w komórce. Jeżeli takie białko zidentyfikuje się i zbada, to można
będzie potem skonstruować lek, który zwiąże białko "x" i zahamuje jego zły
wpływ lub możemy zadziałać wcześniej – dzięki genomice – i deaktywować
gen kodujący to białko.
FOLIA 1
Typowy 2D żel, białek bakterii Halobacterium salinarum. Białka rozdzielone są
względem ładunku od lewej do prawej (pH 4.0 z lewej strony żelu, pH 5.0 z
prawej strony żelu). Białka rozdzielane są również pod względem wielkości –
od góry do dołu żelu. Te u dołu mają rozmiary rzędu 20 kD. Zielone i niebieskie
strzałki wskazują białka, które zostały z powodzeniem zidentyfikowane.
FOLIA 1
Inne techniki wykorzystywane w
badaniach genów i białek
•
Dwuwymiarowa elektroforeza żelowa (2D GE)
•
Chromarografia cieczowa (LC, HPLC)
•
Spektrometria mas (MS)
•
Techniki bioinformatyczne (białkowe bazy danych,
zastosowanie programów do identyfikacji białek)
•
Użycie radionuklidów (N15, O18), do identyfikacji
proteomu
•
Użycie znaczników chemicznych (ICAT i inne)
•
Metody immunologiczne
•
Sekwentatory DNA
•
Krystalografia rentgenowska
FOLIA 1
Ważne jest również poznanie struktury przestrzennej białek. Klasyczną techniką używaną do
tego celu jest krystalografia rentgenowska. Oczyszczone białka przekształcają się w kryształy,
a następnie bombardowane są promieniami X. Analiza ugięcia tych promieni na
poszczególnych atomach wchodzących w skład białka umożliwia ustalenie jego
trójwymiarowej struktury.
DO PROWADZENIA BADAŃ METODĄ KRYSTALOGRAFII RENTGENOWSKIEJ
niezbędne są czyste kryształy wybranych białek. Na zdjęciu ukazany jest kryształ CD4 (białka
służącego HIV jako brama wejściowa do limfocytów T), zamknięty w maleńkiej rureczce
wewnątrz woskowej kulki. Kryształ naświetlany jest promieniami X w celu określenia
trójwymiarowej struktury tworzących go cząsteczek białka.
FOLIA 1
Kolejne dziedziny, pochodne genetyki molekularnej,
umożliwiające jeszcze głębsze i bardziej szczegółowe
poznanie organizmów to METABOLOMIKA i
TRANSKTYPTOMIKA
METABOLOMIKA
Nauka o całkowitej zawartości metabolitów w komórkach; o zamierzonych i niezamierzonych
produktach organizmów genetycznie zmodyfikowanych.
Opisanie ludzkiego metabolonu (zestawu wszystkich metabolitów) będzie jeszcze
trudniejszym zadaniem niż opisanie genomu i proteomu, gdyż jest to zestaw milionów
związków z różnych klas, m.in.: peptydów, lipidów, aminokwasów, węglowodanów.
Zestaw wszystkich metabolitów – METABOLON
FOLIA 1
Techniki analityczne wykorzystywane
w metabolomice
Spektrometria Mas (MS)
Chromatografia Gazowa ze Spektrometria Mas
(GC-MS)
Spektrometria Mas z Transformacją Fouriera
(FT-MS)
Chromatografia Gazowa z detekcją Płomieniowo
Jonizacyjną (GC-FID)
Spektrometria Jądrowego Rezonansu
Magnetycznego (NMR)
Elektroforeza Kapilarna (CE)
Dwuwymiarowa Chromatografia
Cienkowarstwowa (2-D TLC)
Spektrometria Ramana
Wysokosprawna Chromatografia Cieczowa
(HPLC)
FOLIA 1
TRANSKRYPTOMIKA
Jest to dziedzina za pomocą, której określane jest miejsce i czas aktywności genów. Ideałem
jest określenie naszego transkryptonu - ogółu cząsteczek mRNA wyprodukowanych przez
ludzkie komórki.
Do rozpoznawania sekwencji mRNA wykorzystuje się najczęściej jego zdolność do
hybrydyzacji cDNA. W ten sam sposób można określić np. aktywność określonych genów w
komórkach nowotworowych.
FOLIA 1
Transkrypton byłoby to dynamiczne przejście między
genomem, proteomem i fenotypem komórki. Regulacja
ekspresji genów jest kluczowym procesem w adaptacji do
zmian środowiskowych, a tym samym przetrwania organizmu.
Wyjątkowo ważną techniką używaną w transkryptomice są
mikroczujniki DNA, które umożliwiają oznaczanie ekspresji
mRNA praktycznie w każdym genie organizmu.
Wciąż będziemy się dowiadywać o nowych niezwykłościach
bioinżynierii: genetycznej, embrionalnej, wreszcie
neuroinżynierii. Nowe dane przyniesie badanie pamięci,
uczenia się, snu, emocji, języka (mowy). Być może pojawią
się nowe możliwości sterowania tymi procesami,
wspomagania ich. Medycyna, rolnictwo, hodowla zwierząt
zaczną się zdecydowanie przenikać, uzupełniać, stopią się w
jedną potężną biotechnologię.
Dostları ilə paylaş: |