Twoja wyszukiwarka

MAGDALENA FIKUS
JAK ŻYĆ Z 470 GENAMI?
Wiedza i Życie nr 1/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/1996

W 1995 roku genetyka molekularnaprzekroczyła kolejną granicę: po raz pierwszy oznaczono pełną sekwencjęnukleotydowągenomów dwu mikroorganizmów: Haemophilus influenzae i Mycoplasma genitalium.

Oznaczenie sekwencji nukleotydowej genomu, to innymi słowami ustaleniew jakiej kolejności położone są w nici DNA jego cegiełki budulcowe, nukleotydy.Kolejność ta, zwana w żargonie laboratoryjnym sekwencją nukleotydów, stanowizapis informacji genetycznej organizmu, decyduje o jego cechach dziedzicznych.

Osiągnięcie, o którym mowa, jest dziełem zespołu Craiga Ventera z prywatnegoInstytutu Badań Genomu (The Institute for Genomic Research zwanego w skrócieTIGR). O Venterze usłyszano po raz pierwszy parę lat temu, kiedy wymyśliłprosty i tani sposób wyszukiwania oraz poznawania genów człowieka, i toodkrycie chciał opatentować. Urząd Patentowy USA nie przychylił się dozgłoszonego wniosku, a Venter zamienił swoje "państwowe" miejsce pracy- Narodowe Instytuty Zdrowia, na instytucję komercyjną. TIGR nie czyniwłasnością publiczną wyników prac ponieważ traktuje je jako wartość rynkową.W końcu lat osiemdziesiątych, po długich i wyczerpujących dyskusjach, podjęto"wyzwanie trzeciego tysiąclecia", decydując się na program ustalaniasekwencji nukleotydów genomu ludzkiego. Na obrzeżach tego gigantycznegoprojektu rozpoczęto także sekwencjonowanie genomów modelowych organizmów,przedstawicieli coraz bardziej złożonych istot: od bakterii do myszy.

Pierwszą bakterią, której genom miał być sekwencjonowany w całości była,oczywiście, ulubiona bakteria genetyków molekularnych, Escherichia coli.Cała genetyka molekularna zbudowana została na wiedzy o E. coli, jest onabohaterką kilkudziesięciu nagród Nobla, wielu monografii i podręczników,każdego pisma naukowego z zakresu mikrobiologii. Naprawdę sprawiedliwebyło, że genom Escherichia sekwencjonowano w pierwszej kolejności.

Genom ten składa się z 4.72 mln par nukleotydów, które kodują około 4 tys.białek. Na ustalenie sekwencji nukleotydów w E. coli zespół Freda Blattneraz Uniwersytetu w Wisconsin uzyskał w 1991 roku 7.8 mln dolarów, funduszzapewniający cztery lata badań. Zakładano, iż rocznie ustali się kolejność1 mln par nukleotydów.

Zamiary te przerosły możliwości zespołu z Wisconsin. Do połowy 1995 rokuustalono kolejność tylko 1.4 mln nukleotydów, a pieniądze się skończyłyi nie wiadomo skąd je wziąć na dalsze prace. Do wyników Blattnera możnajeszcze dodać sekwencje 100 tys. nukleotydów oznaczone w Harvardzie i 190tys. - w japońskich uniwersytetach w Kobe i Tokio. Razem poznano szczegółowookoło 40% genomu E. coli. Co prawda z całej literatury poświęconej tejbakterii można by jeszcze wyłonić cząstkowe sekwencje (w sumie aż 1.6 mlnnukleotydów), oznaczone uprzednio w jednostkowych projektach naukowych.Takie sekwencje pochodzą również z polskich pracowni, ale wiadomo już dziś,że im wcześniej były oznaczane, tym częściej zdarzają się w nich błędy,których korygowanie zajmie praktycznie tyle samo czasu, co oznaczanie sekwencjiod nowa.

Niepowodzenia Blattnera wiążą się z pionierskim charakterem jego pracy.Zainwestowano wiele pieniędzy w wyposażenie laboratorium, które dziś jestjuż przestarzałe, a na jego unowocześnienie brak dalszych funduszy. Byćmoże stawiano sobie także zbyt wysokie wymagania, co do poziomu bezbłędnościwyników. W tej dziedzinie perfekcjonizm ma wymiar pieniędzy i czasu.

Warto by, na przykład, umówić się, czy dokładność oznaczeń powinna byćwyrażana liczbą 99,9 czy 99,99%. Konsekwencje przyjęcia każdej decyzjisą bardzo istotne. Przy pierwszym założeniu pełna sekwencja nukleotydóww genomie ludzkim zostanie oznaczona około 2015 roku, i kosztować będzieokoło 3 mld dolarów. Przy obniżeniu dokładności do dziesiątej części poprzecinku koszt ten maleje dziesięciokrotnie, a termin zakończenia przesuwasię do początku XXI wieku. Jeżeli pamiętać, że między poszczególnymi ludźmiróżnice w sekwencji DNA wynoszą 0.2%, to wydaje się, że moglibyśmy sobieobecnie pozwolić na ten obniżony pułap perfekcji...

Okazało się, że postępowanie doświadczalne można było uprościć dzięki zastosowaniudo analizy wyników końcowych nowych, potężniejszych komputerów i bardziejwyszukanych programów. Programy Blattnera dziś oceniane jako staroświeckie,były cztery lata temu ostatnim krzykiem informatyki.

Craig Venter zmienił część metod doświadczalnych, kupił ponad 300 najnowszychrobotów firmy ABI, z których każdy sekwencjonuje 30 tys. nukleotydów dzienniei zainwestował w nowe programy komputerowe. Dzięki temu znalazł się pierwszyna mecie wyścigu, którego stawką była pierwsza pełna sekwencja nukleotydowaswobodnie żyjącej istoty. Więcej, zespół Ventera wraz z naukowcami z JohnHopkins University (H. Smith, noblista z 1978 roku), i z Uniwersytetu wNorth Carolina (C.A. Hutchison III) jednocześnie ogłosili DWIE pełne sekwencjegenomów dwu róźnych mikroorganizmów.

Pełna sekwencja zawiera informację o WSZYSTKICH cechach życiowych całegoorganizmu: nie szkodzi, że mikroskopijnego, jednak spełniającego wszystkiefunkcje, które warunkują życie: je, oddycha, wydala, rozmnaża się.

M. genitalium, pasożyt ludzkich narządów płciowych, a czasem także przewoduoddechowego, ma genom złożony zaledwie z 0.58 mln nukleotydów, stanowiących470 genów. Praca nad ustaleniem sekwencji tego genomu trwała zaledwie 4miesiące. Ten "mikroskopijny" genom będzie wzorcem minimum informacjigenetycznej, która wystarcza, aby zapewnić niezależne od innych organizmów,samodzielne życie. W tym aspekcie niezwykle interesujący wydaje się fakt,że najwięcej, bo aż 30% genów tej bakterii, służy kodowaniu białek wchodzącychw skład błony oddzielającej komórkę od środowiska. Zawsze wiedzieliśmy,że błona jest ważna dla komórki, ale nie przypuszczaliśmy, że tak bardzo.

Sądząc ze znalezionych genów, ten malutki organizm nie umie syntetyzowaćwielu ważnych cząsteczek i musi korzystać (pasożytując), na przykład zzapasów aminokwasów, nukleotydów, kwasów tłuszczowych gospodarza.

O 32% kodowanych przez M. genitalium białek nic nie umiemy powiedzieć.To znaczy - nie podejrzewamy nawet jakie są ich funkcje życiowe.

Genom H. influenzae jest trzy razy większy: składa się z 1.83 milionówpar nukleotydów, 1727 genów, a ustalenie ich sekwencji trwało 6 miesięcy.Wbrew poprzednim zwyczajom TIGR, obie sekwencje zostały szybko udostępnioneśrodowisku naukowemu na zjeździe amerykańskich mikrobiologów, po czym opublikowanoodpowiednie doniesienia.

Królowa laboratoriów - Escherichia coli (tu widoczny także jej DNA uwolniony z komórki)

W obu genomach odległość między dwoma kolejnymi genami i ich średni rozmiarsą podobne, co oznacza, że mykoplazma musiała poczynić oszczędności w liczbiegenów. I rzeczywiście.

W genomie H. influenzae za energetykę komórki odpowiada 112 genów (10.4%)a u mykoplazmy 31 (9.7%0); za biosyntezę białek 141 (14%) u Haemophilusi 101 (31.8%0) w mykoplazmie. Powielaniem DNA w Haemophilus steruje 87(8.6%) genów, a w mykoplazmie 32 (10.0%). Za funkcje regulacyjne w Haemophilusodpowiadają 64 geny (6.3%) genomu, podczas gdy w mykoplazmie tylko 7 genów(2.2%). Liczba genów (tym razem nie w procentach) uczestniczących w naprawieuszkodzeń DNA w E. coli wynosi 100, w H. influenzae - 76, ale w M. genitaliumjuż tylko 31.

Na konferencji prasowej Venter oświadczył, że ma już 30 propozycji współpracyw oznaczaniu sekwencji genomów, głównie bakterii chorobotwórczych. A środowiskomikrobiologów huczy od plotek i nie do końca sprawdzonych informacji.

Mówi się, że w prywatnej firmie Genome Therapeutics Corporation ustalonokolejność nukleotydów genomu Helicobacter pylori, bakterii, której przypisujesię główną rolę w powstawaniu owrzodzeń przewodu pokarmowego. Wiadomośćtę podano na konferencji prasowej, sekwencji genomu nie opublikowano zewzględu na ich ogromną wartość handlową dla przemysłu farmaceutycznego.

Mówi się również o tym, że Departament Energetyki USA sfinansował projektustalania sekwencji genomów trzech bakterii, o których dotychczas w kręgachnaukowych słychać było rzadko, choć imiona ich brzmią bardzo atrakcyjnie:Pyrococcus furiosus, Methanococcus jannashi i Methanobacterium thermoautotrophicum.Wszystkie te bakterie żyją w środowiskach bardzo gorących, dwie ostatnieumieją przekształcać odpadowe dla człowieka substancje w metan, zatem potencjalniemogą być ważnymi producentami energii i enzymów o znaczeniu przemysłowym.Mówi się, że genomy tych bakterii, każdy liczący około 2 mln par nukleotydów,poznane będą na początku 1996 roku.

Nie budzi chyba wątpliwości znaczenie poznawcze powyższych odkryć. Alei przykłady mikroorganizmów, które wybrano i poznano przed E. coli świadcząo czymś jeszcze. I choć to "coś" możemy nazwać nieznośną komercjalizacjąwszystkich nieomal dziedzin życia, także badań naukowych, albo zobaczyćw takich tendencjach potrzebę dostarczania przez uczonych wartości nietylko abstrakcyjnych lecz również konkretnych, mierzonych jakością istnienia,wyników własnej działalności. Tak czy owak - coraz lepiej rozumiemy świat,który nas otacza.

HAEMOPHILUS INFLUENZAE

Bakterie te wyizolowano w czystym stanie w trakcie epidemii grypy 1890 roku i uznano za czynnik ją wywołujący. Prawdopodobnie tylko towarzyszyły wirusowi grypy i wówczas, i w czasie kolejnej śmiertelnej epidemii grypy w 1918 roku.

H. influenzae jest organizmem patogennym tylko dla człowieka, ale można nim zakazić małpy, myszy i oseski szczurów. Jest najczęstszą przyczyną bakteryjnego zapalenia opon mózgowych u dzieci do 4 roku życia, mającego poważne konsekwencje i około 10% śmiertelności. Wywołuje niektóre z dziecięcych zapaleń górnych dróg oddechowych i zapalenia ucha środkowego. Bakterie często (u 30 - 50% dzieci) znajdują się w ich drogach oddechowych, nie powodując zachorowań.

Zakaźne bakterie otoczone są kapsułkami, rosnąc na stałym podłożu w postaci kolonii powodują, iż jej powierzchnia jest gładka. Mogą spontanicznie przejść w formę bezkapsułkową; kolonie mają wtedy powierzchnię szorstką. Hodowanie tych bakterii wymaga przygotowania pożywek zawierających odpowiednio potraktowaną krew zwierzęcą, bowiem w erytrocytach znajdują sie substancje bezwzględnie konieczne do ich wzrostu.

Powierzchnia kapsułek zbudowana jest z polisacharydów, a ich rodzaj determinuje tzw. serotyp bakterii, objawiający się w typach przeciwciał pojawiających się u zakażonych osobników. Znamy 6 serotypów, najgroźniejszy dla ludzi patogen należy do serotypu b.
Do początku artykułu...

MYCOPLASMA GENITALIUM

W Niemczech, w końcu XVII wieku wybuchła epidemia zapalenia płuc bydła, która zdziesiątkowała stada. Szukając czynnika zakaźnego tej choroby Pasteur wysunął przypuszczenie, że nie są nim bakterie, bowiem był on mniejszy od innych znanych mu bakterii. Jednak w póżniejszych badaniach wyjaśniono, że chodzi o wyjątkowo małe mikroorganizmy widoczne pod mikroskopem dopiero przy 1500-krotnym powiększeniu. Są zdolne do samodzielnego wzrostu w specjalnie przygotowanych, bogatych w związki organiczne, pożywkach. Na stałym podłożu hodowlanym tworzą tak małe kolonie, że widać je dopiero pod lupą.

Jedenaście typów serologicznych mykoplazmy, bo o niej mowa, zakaża człowieka - jego układ oddechowy i narządy płciowe. Inne są patogenami zwierząt (w tym owadów) i roślin. Stanowią prawdziwy "ból głowy" w pracowniach kultur tkankowych i hodowli komórkowych.

Komórki mykoplazmy otacza jedynie błona - brak im ściany komórkowej, co m.in. powoduje, że są niewrażliwe na penicylinę i cykloserynę. Występują w różnorodnych formach - od pałeczek do kulek. DNA mykoplazmy jest bogaty w pary nukleotydów A:T, z ich tłuszczami często połączona jest glukoza.
Do początku artykułu...

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(06/96) Z ANTYBIOTYKIEM NA WRZODY
(01/97) DROŻDŻE W KOMPUTERZE
(02/97) TRANSGENICZNA ŻYWNOŚĆ
(12/97) NIEWINNE ZŁEGO POCZĄTKI
Burzliwe dzieje podwójnej helisy
Transgeniczne strachy