Podstawy inżynierii genetycznej



Podobne dokumenty
Metody odczytu kolejności nukleotydów - sekwencjonowania DNA

2. Enzymy pozwalające na manipulację DNA a. Polimerazy DNA b. Nukleazy c. Ligazy

Biologia medyczna, materiały dla studentów

Ćwiczenia 1 Wirtualne Klonowanie Prowadzący: mgr inż. Joanna Tymeck-Mulik i mgr Lidia Gaffke. Część teoretyczna:

KLONOWANIE DNA REKOMBINACJA DNA WEKTORY

PODSTAWY BIOINFORMATYKI

Biologia Molekularna z Biotechnologią ===============================================================================================

Klonowanie molekularne Kurs doskonalący. Zakład Geriatrii i Gerontologii CMKP

Znaczenie genetyki. Opracował A. Podgórski

Geny i działania na nich

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

POLIMERAZY DNA- PROCARYOTA

POLIMERAZY DNA- PROCARYOTA

Biologia Molekularna Podstawy

Biotechnologia i inżynieria genetyczna

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Ćwiczenia 1 Wirtualne Klonowanie. Prowadzący: mgr Anna Pawlik i mgr Maciej Dylewski. Część teoretyczna:

Inżynieria Genetyczna ćw. 3

Transformacja pośrednia składa się z trzech etapów:

4. DNA podporządkowany człowiekowi manipulacje DNA

Genetyka, materiały dla studentów Pielęgniarstwa

Mapowanie fizyczne genomów -konstrukcja map wyskalowanych w jednostkach fizycznych -najdokładniejszą mapą fizyczną genomu, o największej

ETYCZNE ASPEKTY INŻYNIERII GENETYCZNEJ

Wstęp. Jak programować w DNA? Idea oraz przykład. Problem FSAT charakterystyka i rozwiązanie za pomocą DNA. Jak w ogólności rozwiązywać problemy

Hybrydyzacja kwasów nukleinowych

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

KLONOWANIE DNA REKOMBINACJA DNA WEKTORY

PCR - ang. polymerase chain reaction

Hybrydyzacja kwasów nukleinowych

Bioinformatyka. wykłady dla I r. studiów magisterskich, biologia (SGGW) 2007/2008. Wykład 1, 4.X.2007 Krzysztof Pawłowski

Najważniejsze z nich to: enzymy restrykcyjne wektory DNA inne enzymy np. ligazy, fosfatazy, polimerazy, nukleazy

Inżynieria genetyczna PEF Copyright by Polskie Towarzystwo Tomasza z Akwinu

Nowoczesne systemy ekspresji genów

SCENARIUSZ LEKCJI. TEMAT LEKCJI: Podstawowe techniki inżynierii genetycznej. Streszczenie

Ćwiczenie 5 Klonowanie DNA w wektorach plazmidowych

Biotechnologia jest dyscypliną nauk technicznych, która wykorzystuje procesy biologiczne na skalę przemysłową. Inaczej są to wszelkie działania na

Definicje. Białka rekombinowane (ang. recombinant proteins, r-proteins) Ukierunkowana mutageneza (ang. site-directed/site-specific mutagenesis)

DNA musi współdziałać z białkami!

Metody analizy genomu

Przykładowe zadania. przygotowujące do egzaminu maturalnego

Inżynieria genetyczna

Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany

Najważniejsze z nich to: enzymy restrykcyjne wektory DNA inne enzymy np. ligazy, fosfatazy, polimerazy, nukleazy

SYLABUS. Wydział Biologiczno-Rolniczy. Katedra Biochemii i Biologii Komórki

Inżynieria Genetyczna ćw. 1

Powodzenie reakcji PCR wymaga właściwego doboru szeregu parametrów:

Inżynieria genetyczna- 6 ECTS. Inżynieria genetyczna. Podstawowe pojęcia Część II Klonowanie ekspresyjne Od genu do białka

Ekspresja informacji genetycznej

SCENARIUSZ LEKCJI BIOLOGII Z WYKORZYSTANIEM FILMU PCR sposób na DNA.

Prokariota i Eukariota

Techniki molekularne w mikrobiologii SYLABUS A. Informacje ogólne

Wektory DNA - klonowanie molekularne

PCR - ang. polymerase chain reaction

Metody badania polimorfizmu/mutacji DNA. Aleksandra Sałagacka Pracownia Diagnostyki Molekularnej i Farmakogenomiki Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Scenariusz lekcji z biologii w szkole ponadgimnazjalnej

PCR łańcuchowa reakcja polimerazy

PCR - ang. polymerase chain reaction

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Endonukleazy restrykcyjne molekularne nożyczki

Bioinformatyka. wykłady dla I r. studiów magisterskich, biologia (SGGW) 2010/2011. Krzysztof Pawłowski

PODSTAWY BIOINFORMATYKI 6 BAZA DANYCH NCBI - II

Polimeraza Taq (1U/ l) 1-2 U 1 polimeraza Taq jako ostatni składniki mieszaniny końcowa objętość

Bioinformatyka. Krzysztof Pawłowski. wykłady dla I r. studiów magisterskich, biologia (SGGW) 2012 / 2013

Klonowanie i transgeneza. dr n.med. Katarzyna Wicher

Wprowadzenie do biologii molekularnej.

Ćwiczenie 3 PCR i trawienie DNA enzymami restrykcyjnymi

SYLABUS. Wydział Biologiczno-Rolniczy. Katedra Biochemii i Biologii Komórki

ENZYMY RESTRYKCYJNE ENZYMY RESTRYKCYJNE CZYM RÓŻNIĄ SIĘ POSZCZEGÓLNE ENZYMY? nazewnictwo: EcoRV

Najważniejsze z nich to: enzymy restrykcyjne wektory DNA inne enzymy np. ligazy, fosfatazy, polimerazy, kinazy, nukleazy

Mieszanina trójfosforanów deoksyrybonukleotydów (dntp: datp, dgtp, dctp, dttp) Bufor reakcyjny zapewniający odpowiednie warunki reakcji

S YL AB US MODUŁ U ( PRZEDMIOTU) I nforma c j e ogólne

Imię i nazwisko...kl...

Specjalność (studia II stopnia) Oczyszczanie i analiza produktów biotechnologicznych

Wektory DNA - klonowanie molekularne

PODSTAWY BIOINFORMATYKI WYKŁAD 2 SEKWENCJONOWANIE GENOMÓW

Sekwencjonowanie, przewidywanie genów

Farmakogenetyka Biotechnologia Medyczna I o

Bioinformatyka. Michał Przyłuski

Jaka jest lokalizacja genu na chromosomie? Jakie jest jego sąsiedztwo?

Sylabus Biologia molekularna

TECHNIKI ANALIZY RNA TECHNIKI ANALIZY RNA TECHNIKI ANALIZY RNA

WEKTORY WAHADŁOWE ENZYMY W KLONOWANIU POLIMERAZY

Tematyka zajęć z biologii

Wektory DNA - klonowanie molekularne

Endonukleazy restrykcyjne molekularne nożyczki

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

Skąd się wzięła biologia syntetyczna? Co to są standardowe części biologiczne?

Jerzy Tiuryn Instytut Informatyki Uniwersytet Warszawski rok akademicki 2005/06. 8 listopada 2005

PODSTAWY BIOTECHNOLOGII Piotr Solarczyk

Glimmer umożliwia znalezienie regionów kodujących

Ćwiczenie 7 Klonowanie DNA w wektorach plazmidowych

Scenariusz lekcji biologii z wykorzystaniem metody CILIL Lekcja dla klasy IV technikum o rozszerzonym zakresie kształcenia

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: EIB BN-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Specjalność: Bionanotechnologie

Wektory DNA - klonowanie molekularne

TECHNIKI WYKORZYSTYWANE W DIAGNOSTYCE MOLEKULARNEJ CHORÓB JEDNOGENOWYCH TECHNIQUES USED IN MOLECULAR DIAGNOSTICS OF MONOGENIC DISORDERS

Sylabus Biologia molekularna

Metody inżynierii genetycznej SYLABUS A. Informacje ogólne

Ćwiczenia 2-4 KLONOWANIE DNA

Transkrypt:

Metody bioinformatyki Podstawy inżynierii genetycznej prof. dr hab. Jan Mulawka

Czym jest inżynieria genetyczna Zbiór technik rekombinowania i klonowania DNA Wydzielanie i charakteryzowanie pojedyńczych genów Poznaje się strukturę i działanie genów

Fragmentowanie DNA Gdy poszukujemy pojedynczych genów w genomie danego organizmu Narzędziem są na ogół enzymy restrykcyjne Można też użyć ultradźwięków przepuszczając DNA przez wąską kapilarę

Enzymy restrykcyjne (restryktazy) Enzymy klasy II endonukleazy Tną dwuniciowe DNA w specyficznym miejscu wyznaczonym przez charakterystyczny dla tego enzymu ciąg nukleotydów. Np. enzym EcoRI wytwarzany przez E. coli tnie pomiędzy G oraz A (w nici wiodącej) oraz pomiędzy A oraz G (w nici opóźniającej), jeśli napotka następującą sekwencję: 5' : : : GAATTC : : : 3' 3' : : : CTTAAG : : : 5'

Rekombinowanie DNA in vitro to łączenie fragmentów DNA Enzym ligazy DNA wytwarza wiązania fosfodiestrowe Wektory to niewielkie cząsteczki DNA mające zdolność do samodzielnej replikacji w komórce

Klonowanie DNA Podłączony do wektora fragment DNA będzie po wprowadzeniu zrekombinowanej cząsteczki do komórki ulegał powielaniu Podczas klonowania strawione przy pomocy enzymów restrykcyjnych fragmenty DNA ligujemy z wektorami a następnie wprowadzamy je do komórek w procesie transformacji

Wektory plazmidowe Plazmid to mała kolista cząstka DNA, która nie jest związana z żadnym chromosomem. Może być wprowadzona do komórki bakterii, od której się wywodzi. Często używa się plazmidów E. coli. Plazmid musi zawierać miejsce startu replikacji (aby mógł się replikować, gen lub kilka genów odpowiedzialnych za odporność na pewne anybiotyki.

Pozostaje jeszcze pewna część w DNA plazmidu, w którą można wstawić fragment obcego DNA (o długości do 15-20 kbp) Następnie hoduje się bakterie, dodając antybiotyk. Te bakterie, które zawierają plazmidy z genem odporności na ten antybiotyk przeżywają Powstaje w ten sposób kolonia klonów

Wektory fagów Fagi są wirusami atakującymi bakterie E.coli Ich genom ma rozmiar 50 kbp, z czego 25 kpb można usunąć, wymieniając na obcy DNA, bez wpływu na proces infekowania bakterii Fag namnaża się w zainfekowanej komórce, produkując nawet więcej niż 100 kopii w jednej komórce Zabija przy tym bakterię, uwalniając zreplikowane nowe kopie wirusa Przygotowanie zmutowanych fagów można przeprowadzać in vitro

Inne wektory Kosmidy: połączenie techniki wykorzystania plazmidów z techniką fagów Tworzy się duże plazmidy, które są wprowadzane do bakterii przy pomocy obudowy" od fagów Dzięki temu pomysłowi można tworzyć wstawki o długości 45 kbp Wektory P1: 100 kbp

Mapa restrykcyjna Jest to obraz cząsteczki DNA, na którym zaznaczone są miejsca rozpoznawane przez różne enzymy restrykcyjne z uwzględnieniem odległości między nimi wyrażonej w nukleotydach.

Elektroforetogram dla wektorów puc19 i pms02

Mapa restrykcyjna wektora pms02

Mapa plazmidu pbr322 Podkreślono symbole enzymów przecinających cząsteczkę tylko w jednym miejscu Liczby oznaczają numer kolejny nukleotydu od EcoRI

Zastosowanie plazmidu pbr322 do klonowania DNA Wyróżnianie klonów zawierających zrekombinowane wektory

Mapa restrykcyjna plazmidowego wektora puc19

Wytwarzanie krótkich delecji i insercji w sklonowanych genach

Wytwarzanie serii delecji genowych

Metody sekwencjonowania Metoda chemiczna Maxama-Gilberta (1977) Przeprowadza się cztery reakcje chemiczne, które tną nić DNA w miejscach A+G (puryny), C+T (pirymidyny), C Reakcja jest tak przeprowadzana, aby każdą nić przeciąć tylko w jednym miejscu Używając elektroforezy na żelu, porównuje się długości pociętych fragmentów(radioaktywnie zaznacza się jeden koniec nici i przeprowadza autoradiografię prążków powstałych w żelu). Ta metoda jest pracochłonna i kosztowna

Sekwencjonowanie DNA metodą Maxama i Gilberta

Metoda enzymatyczna Sangera (1977) Matrycą jest jednoniciowe DNA. Do niej dołącza się starter (tzw. primer) Jest on syntetycznie wyprodukowany. Jego koniec 5' jest oznakowany radioaktywnie Proces przeprowadza się w 4 probówkach. W każdej z nich znajduje się matryca ze starterem, nukleotydy A, C, G, T oraz jeden z czetrech rodzajów nukleotydów pozbawiony grupy 3'- hydroksylowej (tzw. dideoksy ATP, CTP, GTP, TTP)

Do tego dodaje się enzym DNA polimerazy, który powoduje wydłużanie nici zaczynającej sie starterem Dołączenie w danym momencie dideoksy powoduje, że proces wydłużania zostaje zatrzymany (bo nie ma końca 3') Następnie denaturuje się podwójne nici, wykonuje elektroforezę dla porównania długości i przeprowadza autoradiografię prążków powstałych w żelu

Sekwencjonowanie DNA metodą Sangera

Technika PCR PCR (Polimerase Chain Reaction) reakcja łańcuchowa polimerazy odkryta przez Kary Mullisa (1985) Jest używana do szybkiego kopiowania materiału genetycznego Proces ma charakter wzrostu wykładniczego

Podstawowe kroki procesu PCR Chcemy powielić materiał genetyczny zawarty w pewnym regionie DNA Wytwarzamy syntetycznie startery (dwa rodzaje), których pozycje będą ograniczały ten region z obu stron Dajemy bardzo dużo starterów oraz wolnych nukleotydów do materiału, który mamy powielić Dodajemy enzym polimerazy (Taq polimerazę z bakterii Thermus aquaticus, żyje w 72C)

Powtarzamy cyklicznie trzy kroki: 1. Podgrzewamy roztwór do temperatury 95C. Następuje denaturacja nici materiału genetycznego 2. Ochładzamy do 60C. Wówczas startery łączą się z pojedynczymi nićmi Ponieważ materiału genetycznego jest mało w porównaniu z liczbą starterów, to szansa połączenia nici materiału genetycznego ze sobą jest mała

3.Następuje faza budowania nowych (komplementarnych) nici przez enzym polimerazy. Po zakończeniu tej fazy cykl powtarzamy tak długo aż uzyskamy odpowiednią ilość materiału genetycznego. Po każdym cyklu PCR ilość materiału genetycznego podwaja się. W ten sposób można powielać (amplifikować) fragmenty o długości do 20 kbp Przykładowe zastosowanie: wykrywanie wirusa HIV w bardzo wczesnym stadium zarażenia (przed wystąpieniem objawów)

Biblioteki genomowe Pobiera się genomowe DNA, tnie na kawałki 20 kbp przy pomocy enzymu, którym się również tnie genom faga Następnie tworzy się zrekombinowane fagi po czym zaraża nimi bakterie, aby wytworzyć dużą liczbę kopii Tak otrzymane kolonie nazywają się bibliotekami genomowymi Zamiast faga używa się również plazmidów czy też sztucznych chromosomów

Historia poznawania sekwencji genomów Zsekwencjonowanych jest ponad 180 genomów różnych organizmów. Poniżej przedstawiono chronologię najważniejszych wydarzeń związanych z projektami sekwencjonowania: Bakteriofag X174 (5,4 kbp) pierwszy całkowicie zsekwencjonowany w całości materiał genetyczny (Sanger, 1972) Fag (48,5 kbp), Sanger 1982

Bakteria Haemophilus influenze (1 830 kbp), Venter 1995 Bakteria Mycoplasma genitalium (580 kbp), Venter 1995 Drożdże piekarskie Saccharomyces cerevisiae (13 500 kbp) { pierwszy genom eukariota, (współpraca międzynarodowa), 1996 Bakteria Escherichia coli (4600 kbp), 1997 Nicień Caenorhabditis elegans (100600 kbp) 1998

Człowiek, chromosom 22, (35600 kbp) 1999 Człowiek, chromosom 21, (34ó00 kbp) 2000 Muszka owocowa Drosophila melanogaster (160600 kbp) 2000. Rzodkiewnik Arabidopsis thaliana (100600 kbp), 2000 Człowiek, cały genom Homo sapiens (3500600 kbp), 2001

Mysz Mus musculus (3600600 kbp), 2002 Kurczak Gallus gallus (1 300600 kbp), 2004 Ryż Oryza sativa (390600 kbp), 2005 Szympans Pan troglodytes (3 100600 kbp), 2005

Genom człowieka (Human Genome Project) Zapis całego genomu zajmie (używając alfabetu A,C,G,T) około 750 Mb pamięci Inicjatywa projektu powstała w USA pod koniec 1984 Uruchomienie projektu nastąpiło w 1988 Główną rolę przy realizacji przewidziano dla NIH (National Institutes of Health) ale również mocno zaangażowany jest Departament Energii

Główny udział w odkodowaniu ludzkiego genomu mają: Francis Collins Craig Venter

Projekt zaplanowano na 15 lat i łączny budżet 3 mld USD (po 200 mln USD na rok) Jest to obecnie bardzo duże międzynarodowe przedsięwzięcie, w którym udział biorą m.in.: USA, Francja, Japonia, Niemcy, Rosja, Wielka Brytania W lutym 2001 zaanonsowano ukończenie pierwszego szkicu całego genomu człowieka

Francis Collins i Craig Venter na spotkaniu 26.06.2000 u prezydenta Billa Clintona Spotkaliśmy się, żeby obejrzeć mapę o jeszcze większym znaczeniu dla ludzkości Otwiera się dla nas nowa era Posiedliśmy moc uzdrawiania Genetyka zrewolucjonizuje medycynę Genetyka wyleczy nas z większości, choć nie ze wszystkich chorób

Przewidywania Collinsa na rok 2010 Genetyczne testy diagnostyczne na co najmniej 12 różnych chorób będą powszechnie dostępne Będziemy mogli zmniejszyć ryzyko zachorowania na kilka z tych chorób Wielu lekarzy pierwszego kontaktu będzie korzystało z medycyny opartej na genetyce Diagnostyka preimplantacyjna będzie powszechnie dostępna

Nie sprawdziły się przewidywania Odnośnie powstania nowych leków dzięki inżynierii genetycznej (zarzuca się koncernom, że często tworzą leki bez zrozumienia biologii) Nie osiągnięto zbyt wiele w dziedzinie genetyki raka, mimo że poświęcono na to wiele czasu i ogromne fundusze Chociaż koszt odczytywania materiału genetycznego spada, to jednak zalewa uczonych fala informacji, która przeciąża ich umysły i dyski komputerów

Osiągnięcia w inżynierii genetycznej dokonane przez ostatnie 10 lat Nastąpił ogromny postęp w technologiach odczytujących DNA Drastyczny spadek ceny za te usługi zmniejszyły się one 14 tysięcy razy! Odczytano pełną informację genetyczną wielu organizmów w tym 14 gatunków ssaków Rozwój genetyki zmienił prace ewolucjonistów Udostępniono już genomy 13 osób

Dzisiejsza genetyka rozwija się w dwóch kierunkach Odczytywanie jak największej ilości materiału genetycznego, by mieć bazę do porównań Poszukiwanie odpowiedzi na pytanie, jakie jeszcze funkcje pełni w organizmie ludzkim DNA

Rola ciemnej materii DNA Nasze skłonności do chorób w większości wcale nie znajdują się w genach Przypuszcza się, że zapisane są one w tzw. ciemnej materii DNA (introny) Materiał ten na pierwszy rzut oka jest śmietnikiem i nie koduje niczego Jak mamy szukać informacji, jeśli nie wiemy, co jest śmieciem, a co nie

Sztuczne życie W maju 2010 Craig Venter poinformował o stworzeniu pierwszej komórki, której kod genetyczny został w całości wyprodukowany przez człowieka w laboratorium Opracowanie technologii syntetycznej bakterii Bakteria ta ma przetwarzać dwutlenek węgla na paliwo Venter postanowił opatentować swoją metodę naukową

Dalszy postęp inżynierii genetycznej upatruje się w: Ogólnym postępie technologicznym Użyciu superkomputerów działających z szybkością tysiąc razy szybciej do porównań tysięcy DNA Odczytaniu informacji zawartych w bakteriach