Information

Ist das Genom ohne Kenntnis der Eizelle sinnvoll?

Ist das Genom ohne Kenntnis der Eizelle sinnvoll?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ein Großteil der Literatur für Laien scheint zu berücksichtigen (und die Idee zu verbreiten), dass ein Tier (oder eine Pflanze, denke ich) durch sein Genom gekennzeichnet ist. Ich weiß nicht, ob das auch für Fachliteratur gilt. Auch auf dieser Seite ist das Tag Genome definiert als Die Gesamtheit der Erbinformationen eines Organismus, was zu implizieren scheint, dass es eine Beschreibung von allem enthält, was vererbt werden kann.

Es scheint mir, dass der Versuch, ein Tier mit der alleinigen Kenntnis seines Genoms zu definieren (geschweige denn es nachzubilden, wie es sich manche Menschen vorstellen), nicht wirklich sinnvoll ist, ohne die ergänzende Kenntnis der Zellstruktur der Eizelle, die dies interpretieren muss Genom.

Diese Frage scheint in der Laienliteratur nie ernsthaft behandelt zu werden.

Ist es so, dass sich diese Entschlüsselungsmaschinerie viel weniger entwickelt als das Genom selbst? Dies war zu erwarten, da eine Änderung des Decoders in der Regel wichtigere, globale und drastische Auswirkungen hat als eine Änderung des Genoms, was zu einem sehr lokalisierten Effekt führen kann. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass Änderungen an dieser Maschinerie ein lebensfähiges Wesen ergeben.

Um diese Frage zu verfeinern (es sei denn, der Moderator bevorzugt, dass dies eine separate Frage ist):

Gibt es eine Studie über die diachrone Evolution dieser Genom-Entschlüsselungsmaschinerie bei einer bestimmten Spezies oder über die synchronen Unterschiede zwischen Spezies, die wahrscheinlich ein Maß für die Geschwindigkeit der diachronen Evolution dieser Maschinerie liefern würde?

Wenn zwei nahe beieinander liegende Arten sich nicht paaren können, wird (in einigen Fällen) analysiert, ob dies auf Schwierigkeiten bei der Kombination der beiden Genome zurückzuführen ist oder auf die Tatsache, dass die Eizelle der einen das Genom der anderen nicht richtig interpretieren kann?


Gute Frage! Beginnen wir damit, über verschiedene Formen der Erblichkeit zu sprechen.

Was ist erblich?

Hier ist eine Liste von Dingen, die vererbt werden können. Einige von ihnen werden nur an die Nachkommen weitergegeben ('hauptsächlich' wäre richtiger als 'nur'), ​​während andere auch auf jedes Individuum in der Population übertragen werden können.

Der Begriff Epigenetik wird mit mehreren Bedeutungen verwendet. Im engeren Sinne bezieht es sich nur auf Modifikationen (typischerweise Methylierung) oberhalb der DNA-Sequenz oder oberhalb von Histonen (Histone sind Proteine, um die die DNA gewickelt ist). Im weitesten Sinne bezieht es sich auf jedes Element der Vererbung, das nicht durch die DNA-Sequenz verursacht wird. In der folgenden Liste werde ich den Begriff Epigenetik vermeiden.

Was kann vererbt werden:

  • DNA (offensichtlich)
    • Modifikation der DNA-Sequenz
  • Methylierung an DNA
    • Modifikation der (typischerweise) auf Nukleobasis hinzugefügten Methylgruppe
  • Methylierung an Histon
    • Modifikation der (typischerweise) Methylgruppe, die an (typischerweise) den Schwänzen der Histone hinzugefügt wird.
  • Umfeld (oder eher Makroumgebung)
    • Der Begriff Umgebung kann mit unterschiedlichen Definitionen verwendet werden. Die Histonmodifikation wird im Allgemeinen als die Umgebung des Genoms typischerweise angesehen. Ich werde jedoch (etwas) willkürlich zwischen dieser Mikroumgebung und der intuitiveren Makroumgebung unterscheiden
    • Individuen beeinflussen ihre Umwelt und können daher die Umwelt für ihre Nachkommen gestalten. Ein offensichtliches Beispiel ist ein Biberdamm, der länger als das Leben eines einzelnen Bibers hält. Zwei Schlüsselkonzepte sind hier Nischenbau und Ökosystemtechnik. Sie sollten einen Blick auf den Beitrag werfen Beinhaltet die moderne Evolutionstheorie die Modifikation der physikalischen Umgebung?
  • Memetik (Siehe Wikipedia > Meme)
    • Ein Meme ist jede Idee oder jedes Element der Kultur, das übertragen werden kann. Diese Art der Vererbung ist besonders wichtig bei Arten mit hohen kognitiven Fähigkeiten wie dem Menschen.

In dieser Art von Diskussion gibt es oft jemanden, der aufsteht, um über Plastizität, Entwicklungsgeräusche und Mutationsgeräusche zu sprechen, um die Dinge durcheinander zu bringen. Ich werde sie nur als phänotypisches Merkmal betrachten und ihnen im Moment nicht viel Aufmerksamkeit schenken (obwohl sich ein Teil meiner Forschung auf diese drei Konzepte konzentriert).

Berücksichtigung der nicht-genetischen Vererbung in der Literatur

Ich finde es gut, dass Sie bemerkt haben, dass "das Tag Genome definiert ist als Die Gesamtheit der Erbinformationen eines Organismus". Solche Definitionen sind üblich und basieren auf einer alten Auffassung von Vererbung. Wie oben aufgeführt, gibt es noch andere Dinge als die DNA-Sequenz, die von den Nachkommen vererbt wird. Während alle Biologen dies wissen, ist es wahr, dass nur wenige die Existenz von wirklich anerkennen diese anderen Formen der Vererbung in ihren täglichen Gedanken.

Einige Autoren haben argumentiert, dass diese anderen Arten der Vererbung nicht vernachlässigt werden dürfen. Odling-Smee und Kollegen haben ein ganzes Buch zu diesem Thema geschrieben (Nischenkonstruktion: Der vernachlässigte Prozess in der Evolution). Einige haben sogar argumentiert, dass wir unsere Evolutionstheorie im Lichte der Existenz nicht-genetischer Vererbung umbenennen sollten (siehe Laland et al. 2015). Meiner Meinung nach erkennt die überwiegende Mehrheit der Biologen die Existenz dieser Arten der Vererbung an, hält es jedoch nicht für sinnvoll, die Evolutionstheorie (derzeit moderne evolutionäre Synthese genannt) umzubenennen. Einige würden diese Umbenennung nicht für notwendig halten, entweder weil sie die Bedeutung dieser anderen Formen der Vererbung vernachlässigen oder weil sie es einfach nicht für sinnvoll halten, unsere Theorie umzubenennen, selbst in Anbetracht der Bedeutung dieser anderen Prozesse.

Die Zelle als Decoder zu betrachten, kann irreführend sein

In Ihrer Frage schlagen Sie vor, die Zelle als DNA-Decoder zu betrachten. IMO, das ist irreführend. In dieser Diskussion werde ich die Wissenschaft verlassen und in den Bereich der Philosophie (Identität) eintreten.

Was im Allgemeinen als der Mechanismus der DNA-Entschlüsselung angesehen wird, ist tatsächlich Teil unseres Geoms selbst (beachten Sie typischerweise die Bedeutung von tRNA und rRNA). Wenn Sie sich mit dem Grundkonzept der Genexpression unwohl fühlen, sollten Sie sich einen Einführungskurs wie die Khan Academy aus dem Abschnitt ansehenKlassische und molekulare Genetikzum AbschnittGenregulation.

Außerdem würde ich argumentieren, dass alle Elemente, die an die Nachkommen weitergegeben werden, als Nachkommen betrachtet werden. Wenn sich herausstellt (was wir eigentlich ziemlich falsch wissen), dass die Histonmodifikation mehr in der phänotypischen Varianz als in der genetischen Varianz erklärt, wäre es intuitiv unfair, die Histonmodifikation nur als Decoder des Genoms zu sehen. Wir sind eher versucht, die Histonmodifikation als zentrale und die DNA-Sequenz als Nebeneffekt zu sehen.

Laienliteratur

Sie sagen: "Diese Frage scheint in der Laienliteratur nie ernsthaft behandelt zu werden". Richard Dawkins Buch nennt den erweiterten Phänotyp, obwohl es vielleicht nicht direkt auf Ihre Frage eingeht, macht es einen guten Job, mit Ihrem Konzept der Umwelt- vs. Gen-Trennung zu spielen. Vielleicht möchten Sie einen Blick darauf werfen.

Beachten Sie, dass die Laland et al. Das oben zitierte Jahr 2015 ist leicht zu lesen und wäre eine gute Informationsquelle für einen Laien.


Ich denke, der Grund für die Vereinfachung in vielen Zusammenhängen ist, dass die Maschinerie, die Genotyp in Phänotyp umwandelt, AUCH im Genom spezifiziert ist; ja, es ist notwendig, dass diese Maschinerie vorhanden ist, damit Zellen aller Art funktionieren und neue Zellen (ob einzellig oder mehrzellig) erzeugen können, aber diese Maschinerie selbst wird nicht wirklich vererbt; die Maschinerie (Proteine ​​und funktionelle RNA), die in einer Gründerzelle existiert, kann nur in sehr ungewöhnlichen und extremen Fällen vererbt werden.

Es kann Unterschiede in der Übersetzungsmaschinerie geben, siehe zum Beispiel Wikipedia, aber gerade weil, wie Sie schreiben, "Änderungen an dieser Maschinerie mit geringerer Wahrscheinlichkeit ein lebensfähiges Wesen ergeben" - das bedeutet, dass Änderungen an dieser Maschinerie am wahrscheinlichsten tödlich sind und daher bestehen nicht in einer Population.

Fruchtbarkeitsausfälle zwischen Arten sind auf einfachere Faktoren zurückzuführen, und die Transkriptionsmaschinerie ist bei vielen Arten, die nicht kreuzfruchtbar sind, hoch konserviert.


Craig Venter stellte seine ersten synthetischen Bakterien her, indem er zunächst ein synthetisches Genom herstellte, das alle Gene enthält, die zum Betrieb eines Bakteriums (Mycoplasma. mycoides) erforderlich sind. Dieses synthetische Genom fügte sein Team dann in verwandte Bakterienarten (Mycoplasma capricolum) ein. Das synthetische Genom übernahm dann die Zelle und verwandelte die Zelle im Laufe der Zeit von einer Spezies zur anderen. http://www.nature.com/news/2010/100520/full/news.2010.253.html

Also… nur weil es für dein Bauchgefühl keinen Sinn ergibt, ist es nicht falsch. Bauchgefühle sind großartig… so denken wir, dass die Welt funktionieren sollte. Eine kurze Hand. Aber nur weil wir denken, dass die Welt in eine Richtung funktionieren sollte, ist das noch lange nicht so. Die Welt und die Biologie haben viele Anti-Darm-Konzepte.


Koalas essen giftige Blätter, um zu überleben – jetzt wissen Wissenschaftler, wie

Forscher aus der ganzen Welt arbeiteten zusammen, um das Genom des Koalas zu sequenzieren und einige ihrer biologischen Geheimnisse zu enthüllen.

Koalas sind notorisch seltsame kleine Tiere. Sie sind Hyperspezialisten, verbunden mit den duftenden Eukalyptushainen Australiens, wo sie irgendwie von giftigen Blättern leben. Sie schlafen den ganzen Tag, Babys essen den Kot ihrer Mutter und erliegen grausamen Krankheiten, die andere Tiere nicht sehr stark zu beeinträchtigen scheinen.

Jetzt hat ein Forscherteam das Koala-Genom sequenziert und Hinweise darauf gefunden, wie die Tiere auf Eukalyptusblättern überleben, wie sie die am wenigsten giftigen Blätter erschnüffeln und warum sie so anfällig für einige Krankheiten wie Chlamydien sind.

Die Zahl der Koalas in den meisten Teilen Australiens ist in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen, da die von ihnen bewohnten Eukalyptuswälder abgeholzt wurden, um Platz für die Entwicklung und die Ausbreitung verheerender Krankheiten zu schaffen.


Befruchtung ohne Ei: Neue Technik bringt gesunde Babymäuse hervor

Zum ersten Mal zeigt eine Studie, dass weibliche Eizellen nicht unbedingt erforderlich sind, um Nachkommen zu erzeugen. Wissenschaftler der University of Bath im Vereinigten Königreich haben eine Technik entwickelt, bei der Spermien zur Befruchtung von Embryonen anstelle von Eiern verwendet werden die Geburt gesunder Mäusebabys.

Auf Pinterest teilen Forscher vermuten, dass es möglich ist, Nachkommen ohne weibliches Ei zu produzieren.

Senior-Autor Dr. Tony Perry vom Department of Biology & Biochemistry in Bath und Kollegen veröffentlichen ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Naturkommunikation.

Im traditionellen Sinne erfolgt die Befruchtung, wenn ein Spermium auf eine weibliche Eizelle trifft. Sobald dies geschieht, „programmiert“ die Eizelle die Spermien, wobei verschiedene Chromosomen- und DNA-Veränderungen auftreten, die es den Spermien ermöglichen, sich zu teilen und die spezialisierten Zellen zu produzieren, aus denen ein Organismus besteht – ein Prozess, der als Totipotenz bekannt ist.

Seit der Befruchtungsprozess Ende des 19. Jahrhunderts erstmals aufgeklärt wurde, glaubten Wissenschaftler lange, dass nur eine Eizelle die Fähigkeit besitzt, ein Sperma umzuprogrammieren, um die Embryonalentwicklung auszulösen.

Frühere Studien haben gezeigt, dass es möglich ist, ein nicht befruchtetes Ei zu „tricksen“, um einen Embryo zu bilden, wodurch sogenannte Parthenogenoten entstehen. Da diese Embryonen jedoch keine Spermien haben, die für die Entwicklung von entscheidender Bedeutung sind, haben sie nicht länger als ein paar Tage überlebt.

Dr. Perry und Kollegen zeigen nun, dass bei Mäusen die Injektion von Spermien in Parthenogenoten die Embryonalentwicklung anregen kann, die zur Geburt gesunder Nachkommen führt.

Für ihre Studie injizierten die Forscher Spermienkerne in Mäuseparthenogenoten, die chemisch behandelt wurden, um einen einzigen Satz ungepaarter Chromosomen zu enthalten, im Gegensatz zu einem Satz gepaarter Chromosomen, die normalerweise entstehen, wenn ein Spermium auf ein Ei trifft.

Das Team stellte fest, dass die Technik zur Produktion gesunder Nachkommen mit einer Erfolgsquote von bis zu 24 Prozent führte. Im Vergleich dazu produzierten nicht injizierte parthenogenote Mäuse keine Nachkommen, während eine Erfolgsrate von 2 Prozent beim Klonen des Kerntransfers auftrat.

Obwohl injizierte Embryonen chromosomale und DNA-Ähnlichkeiten mit nicht injizierten Embryonen aufwiesen, stellen die Forscher fest, dass die injizierten Embryonen unterschiedliche zelluläre Prozesse aufwiesen.

Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass es andere Möglichkeiten gibt, wie Spermien umprogrammiert werden können, um die Embryonalentwicklung auszulösen – das heißt, Spermien sind nicht nur von der Eizelle abhängig.

„ Man dachte, dass nur eine Eizelle in der Lage ist, Spermien so umzuprogrammieren, dass die Embryonalentwicklung stattfinden kann.

Unsere Arbeit stellt das Dogma in Frage, das seit der ersten Beobachtung von Säugetiereiern durch frühe Embryologen um 1827 und der Befruchtung 50 Jahre später gehalten wurde, dass nur eine mit einer Samenzelle befruchtete Eizelle zu einer lebenden Säugetiergeburt führen kann.“

Dr. Tony Perry

Obwohl es noch ein langer Weg ist, bis diese Befruchtungstechnik am Menschen getestet werden kann, glauben die Forscher, dass ihre Studie die Tür zu einer Fülle von Möglichkeiten für Fruchtbarkeitsbehandlungen öffnet.

„Eine Möglichkeit in ferner Zukunft besteht darin, dass es möglich sein könnte, dass gewöhnliche Zellen im Körper mit einem Spermium kombiniert werden, sodass ein Embryo gebildet wird“, sagte Dr. Perry BBC News.

Dies könnte es zwei Männern ermöglichen, ein Kind zu bekommen, ein Mann könnte eine normale Zelle spenden, während der andere Mann Sperma spenden könnte.

Dr. Perry sagte jedoch BBC News dass solche Möglichkeiten zum jetzigen Zeitpunkt „spekulativ und phantasievoll“ sind.


Die Bearbeitung des menschlichen Genoms erfordert schwierige Gespräche zwischen Wissenschaft und Gesellschaft

Im Oktober 2020 erhielten Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier den Nobelpreis für Chemie für ihre Entdeckung einer anpassungsfähigen, einfachen Methode zur Bearbeitung von Genomen, bekannt als CRISPR, die die Welt der Gentechnik verändert hat.

CRISPR wurde zur Bekämpfung von Lungenkrebs und zur Korrektur der für die Sichelzellenanämie verantwortlichen Mutation in Stammzellen eingesetzt. Aber auch ein chinesischer Wissenschaftler nutzte die Technologie, um heimlich und illegal das Genom von Zwillingsmädchen zu bearbeiten – die erste erbliche Mutation der menschlichen Keimbahn, die mit Gentechnik hergestellt wurde.

„Wir haben uns von einer Ära der Wissenschaft verabschiedet, in der wir die Risiken, die mit neuen Technologien verbunden sind, verstanden haben und in denen der Entscheidungsspielraum relativ gering war“, sagt Dietram Scheufele, Professor für Life-Sciences-Kommunikation an der University of Wisconsin-Madison.

Heute, sagen Scheufele und seine Kollegen, befinden wir uns in einer Welt, in der neue Technologien sehr unmittelbare und manchmal unvorhersehbare, aber erhebliche Auswirkungen auf die Gesellschaft haben. In einem Papier, das in der Woche vom 26. April in der Proceedings of the National Academy of Sciences, argumentieren die Forscher, dass eine solche fortschrittliche Technologie, insbesondere CRISPR, ein robusteres und durchdachteres öffentliches Engagement erfordert, wenn sie zum Nutzen der Öffentlichkeit genutzt werden soll, ohne ethische Grenzen zu überschreiten.

Die Autoren sagen, dass ein durchdachtes und transparentes öffentliches Engagement und die Verwendung von sozialwissenschaftlichen Erkenntnissen dazu beitragen können, die schwierigen Gespräche zu erleichtern, die die Gesellschaft über wissenschaftliche Themen wie CRISPR und ihre gesellschaftlichen Auswirkungen führen muss. Ein wirksames öffentliches Engagement legt wiederum die Grundlage für die öffentliche Beteiligung an den Fortschritten, die sich aus CRISPR ergeben.

Life Sciences Communication Professor Dominique Brossard und Doktorandin Nicole Krause sowie die wissenschaftliche Mitarbeiterin der Universität Wien, Isabelle Freiling, haben den Bericht gemeinsam mit Scheufele verfasst. Das Papier stammt aus einem Kolloquium der National Academy of Sciences 2019 zu CRISPR.

Seit 2012, als das CRISPR-System erstmals beschrieben wurde, haben Wissenschaftler sowohl sein Gentechnik-Potenzial als auch die Notwendigkeit einer öffentlichen Beteiligung an der Diskussion der Einsatzmöglichkeiten der Technologie verstanden. Viele Wissenschaftler wollten vermeiden, die Kontroversen um gentechnisch veränderte Organismen, die von einigen Aktivisten trotz breiter wissenschaftlicher Unterstützung für ihre Verwendung scharf als unnatürlich und unnötig kritisiert wurden, noch einmal aufzuwärmen.

Krause sagt jedoch, dass einige Wissenschaftler, die die Anwendung von CRISPR unterstützten, damit begannen, irrtümlicherweise die Methoden des öffentlichen Engagements für GVO zu wiederholen, die "angenommen, dass die Menschen einfach mehr Wissen brauchen, mehr die Fähigkeit, die Wissenschaft zu verstehen". Stattdessen fügt Krause hinzu: "Sinnvoller wären Lösungen, die darauf abzielen, die Kommunikation auf die Werte der Menschen auszurichten."

Diese wertebasierte Strategie des öffentlichen Engagements wird durch die sozialwissenschaftliche Forschung unterstützt, die untersucht, wie Menschen ihre Meinung zu neuen Technologien bilden und ändern. Einige Methoden des öffentlichen Engagements beziehen Wertesysteme ein und fördern eine nachdenkliche Konversation mehr als andere.

Was Forscher beispielsweise als "öffentliches Engagement" und "öffentliche Zusammenarbeit" bezeichnen, sind Methoden der wechselseitigen Kommunikation, die den gemeinsamen Austausch von Informationen und Werten sowie die Identifizierung und Gestaltung wissenschaftsbasierter Entscheidungen beinhalten, die diesen Werten entsprechen. Dies steht im Gegensatz zur "öffentlichen Kommunikation", die sich nur auf die Verbreitung wissenschaftlicher Informationen konzentriert.

Scheufele und seine Kollegen sagen, dass solche kollaborativen Ansätze Wissenschaftlern helfen könnten, die Vertretung von Stimmen in Debatten über die Wissenschaft auf Gruppen auszudehnen, die oft übersehen werden, wie zum Beispiel Menschen mit Behinderungen oder rassische Minderheiten.

"Als wissenschaftliche Gemeinschaft haben wir keine lange Erfolgsgeschichte in Bezug auf effektive Interaktionsmechanismen mit diesen Gemeinschaften", sagt Scheufele. Dieses Versäumnis, breitere Gruppen zu erreichen, liegt zum Teil an den geringen Teilnahmequoten der meisten Veranstaltungen zum wissenschaftlichen Engagement, die auch ein sehr selektives Publikum anziehen.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, Wissenschaftler für ihr öffentliches Engagement zu belohnen. "In der Wissenschaft gibt es kaum Anreize für diese Art von Arbeit", sagt Scheufele.

In einem kürzlich veröffentlichten Bericht von Brossard und anderen wurde festgestellt, dass die Mehrheit der Land-Grant-Fakultäten das öffentliche Engagement für sehr wichtig hielt, dies jedoch für ihre Kollegen als weniger wichtig. Diese Kluft deutet darauf hin, dass Wissenschaftler das Gefühl haben, dass ihre Engagementbemühungen von ihren Kollegen nicht belohnt werden, sagt Brossard.

Jetzt haben Brossard, Krause, Scheufele und Kollegen ein Stipendium der National Science Foundation erhalten, um zu erforschen, wie Debatten um CRISPR depolarisiert werden können. Frühere Studien deuten darauf hin, dass die Verantwortung für ihre Positionen ihnen hilft, kritischer über ihre zugrunde liegenden Argumente nachzudenken. Und wenn Sozialwissenschaftler die Komplexität betonen, die den Werten der Menschen innewohnt, hilft dies den Menschen, kontroverse Themen differenzierter zu betrachten.

Es wird jedoch nie einfach sein, eine vielfältige Gesellschaft mit pluralistischen Wertesystemen in die Überlegungen zu den neuesten Technologien einzubeziehen.

„Der politische Entscheidungsfindungsprozess umfasst viel mehr als nur Wissenschaft. Die Wissenschaft wird darüber informieren, wie wir Technologien regulieren, ebenso wie religiöse, politische, ethische, regulatorische und ökonomische Überlegungen“, sagt Scheufele. "Die Fähigkeit, sich in diesem viel breiteren Umfeld zu engagieren, in dem wir einen sinnvollen Beitrag leisten und die Debatte mit der besten verfügbaren Wissenschaft leiten, ist eine große Herausforderung."

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (Grant SES-1827864) unterstützt.


Struktur und Funktion des Bakteriengenoms

Dieses Buch kombiniert Informationen aus der neuesten Forschung über bakterielle Chromosomen- und Nukleoidarchitektur, Gesamtgenomanalyse, Zellsignalisierung und Genexpressionskontrolle mit bekannten Genregulationsparadigmen von Modellorganismen (einschließlich Krankheitserregern), um den Lesern ein Bild davon zu geben, wie Informationen aus der Umgebung zum Gen fließt, seine Expression moduliert und die Konkurrenzfähigkeit der Mikrobe beeinflusst.

Struktur und Funktion des Bakteriengenoms untersucht die Steuerung der Expression der Gene, die ein Bakterium zu dem machen, was es ist, und aktualisiert die Grundlagen der Genexpressionskontrolle mit Informationen über die Struktur und Funktion des Transkriptionspromotors, die Rolle der DNA als regulatorischer Faktor (zusätzlich zu ihrer Rolle als Träger genetischer Information), kleine RNAs, RNAs, die chemische Signale, Ribosomen und Translation, posttranslationale Modifikation von Proteinen und Proteinsekretion wahrnehmen. Es befasst sich mit den Kräften, die die Erhaltung und Evolution des dynamischen Genoms vorantreiben, und bietet Kapitel über DNA-Replikation, DNA-Reparatur, Plasmidbiologie, Rekombination, Transposition, die Rolle repetitiver DNA-Sequenzen, horizontaler Gentransfer, Verteidigung des Genoms durch CRISPR-Cas, Restriktionsenzyme, Argonaute-Proteine ​​und BREX-Systeme. Das Buch schließt mit einem Kapitel, das einen integrierten Überblick über die Struktur und Funktion des Genoms gibt.

  • Verbindet Kenntnisse über Genregulationsmechanismen mit Berücksichtigung der Nukleoidstruktur und -dynamik
  • Bietet einen „DNA-zentrierten“ Ansatz zur Berücksichtigung der Transkriptionskontrolle
  • Betrachtet den horizontalen Gentransfer aus der Perspektive der Genregulation
  • Bewertet die Möglichkeiten und Grenzen des Designs synthetischer Mikroben oder der Neuverkabelung bestehender Mikroben

Struktur und Funktion des Bakteriengenoms ist ein ideales Buch für Doktoranden und Studenten, die mikrobielle Zellbiologie, bakterielle Pathogenese, Genregulation und molekulare Mikrobiologie studieren. Es richtet sich auch an leitende Forscher, die zu diesen und verwandten Themen forschen, sowie an Forscher in der synthetischen Biologie und anderen Zweigen der Biotechnologie.

Autor Bios

CHARLES J. DORMAN, PhD, ScD, MRIA ist seit 1994 Inhaber des etablierten Lehrstuhls für Mikrobiologie am Trinity College Dublin, Irland. Zuvor hatte er ein Forschungsstipendium der Royal Society University am Biochemistry Department der Dundee University, Großbritannien, inne, wo er auch als Dozent für Biochemie tätig war. Professor Dorman ist ehemaliger Chefredakteur von Mikrobiologie, ist Treuhänder und Ratsmitglied der Microbiology Society und war Botschafter der American Society for Microbiology in Westeuropa. Er ist Gründungsmitglied der European Academy of Microbiology, Fellow der American Academy of Microbiology, Fellow der Royal Society of Biology und Mitglied der Royal Irish Academy.


Kuhmilch ohne Kuh wird das Futter für immer verändern

Um diesen Artikel noch einmal zu lesen, besuchen Sie Mein Profil und dann Gespeicherte Storys anzeigen.

Echter veganer Käse wird aus den gleichen Proteinen hergestellt, die in Kuhmilch vorkommen, aber sie stammen aus gentechnisch veränderter Hefe. Im Bild: Milchproteinpulver (in Folie) und 3D-gedruckte Modelle von Chymosin, dem Schlüsselenzym bei der Käseherstellung. Cody Pickens

Um diesen Artikel noch einmal zu lesen, besuchen Sie Mein Profil und dann Gespeicherte Storys anzeigen.

Counter Culture Labs nimmt seinen Namen ziemlich wörtlich. Es ist auf jeden Fall ein Biolabor, komplett mit Pipetten, Ballons, Mikroskopen und Flaschen. Aber es widerspricht entschieden der traditionellen Kultur der Laborwissenschaft. Die DIY-Tüftler, die hier herumhängen – im hinteren Teil eines weitläufigen Raums, in dem einst ein Heavy-Metal-Club in Oakland, Kalifornien, untergebracht war – arbeiten jenseits konventioneller Vorstellungen von Forschung und Forschung. Ihr Ziel ist nichts Geringeres, als die Natur zu hacken.

Stellen Sie sich eine Gruppe von Bio-Hackern vor, die sich jeden Montagabend im Labor treffen, um an einem Projekt zu arbeiten, das wie ein Widerspruch klingt: Sie versuchen, Kuhmilchkäse ohne die Kuh herzustellen. Mithilfe von Versandhandels-DNA bringen sie Hefezellen dazu, eine Substanz zu produzieren, die molekular mit Milch identisch ist. Und wenn sie erfolgreich sind, verwandeln sie diese Milch in Käse. Echter Käse. Aber vegan Käse. Echter veganer Käse.

So heißt das Projekt: Real Vegan Cheese. Diese Hacker wollen Käse, der wie echt schmeckt, aber sie wollen nicht, dass er von einem Tier kommt. Auf echten Käse zu verzichten, ist eines der härtesten Opfer, das Veganer bringen müssen, sagt ein Mitglied der Gruppe, Benjamin Rupert, Chemiker und Veganer seit zehn Jahren. Mit Real Vegan Cheese müssen sie das nicht. „Was wir herstellen, ist identisch mit dem tierischen Protein“, sagt er. "Du gibst wirklich nichts auf."

In Counter Culture Labs, einem DIY-Biotech-Hacker-Space in Oakland, Kalifornien, wo Enthusiasten an DNA basteln.

Das mag seltsam, albern und mehr als ein wenig weit hergeholt klingen. Aber es ist echt. Wir haben den Punkt erreicht, an dem das Hacken von DNA weder technisch schwierig noch schrecklich teuer ist. Die Sequenzierung eines menschlichen Genoms hat früher Milliarden von Dollar gekostet. Jetzt kostet es ein paar Tausend. Der gleiche gesetzartige Effekt von Moore hat die Kosten für das "Schreiben" von Genen drastisch gesenkt. Das Bestellen von DNA-Schnipseln mit buchstabengenauer Genauigkeit ist so einfach wie das Ausfüllen eines Online-Formulars, und die Kosten betragen weniger als 25 Cent pro Basenpaar – ein Preis, der die Gene für die Herstellung von Quasi-Kuhmilch enthält in Reichweite von Bastlern.

So seltsam dieses Projekt auch erscheinen mag, es zeigt, was mit heimischer Lebensmittelwissenschaft bald möglich sein wird. Wir nähern uns einer Welt, in der die Kluft zwischen dem "Natürlichen" und dem "künstlichen" zusammenbricht, in der Amateure in ihren Küchen am Leben herumfummeln können, um essbare Substanzen herzustellen, die sowohl handwerklich als auch die am radikalsten verarbeiteten Lebensmittel sind, die je hergestellt wurden.

Benjamin Rupert, ausgebildeter Chemiker und Veganer in den letzten zehn Jahren, sagt, dass Real Vegan Cheese es einfacher machen wird, vegan zu leben.

Counter Culture Labs ist, seinem DIY-Geist entsprechend, selbst ein Work-in-Progress, ein Raum zum Basteln, an dem ständig herumgebastelt wird.

Als ich Ende letzten Jahres zu Besuch war, enthielt eine halb gebaute Laborbank ein Schweineherz, das in einem Glas schwamm. Es war blassweiß, bis auf ein Metallrohr, das oben herausragte, das Herz chemisch von allem außer seinem Knorpel befreit. Wenn dies ein Film wäre, wäre ein Geisterherz ein ominöses Zeichen dafür, dass hier ein Ort war, an dem die Wissenschaft schiefgelaufen war, wo die Natur pervertiert wurde. Aber die Atmosphäre bei Counter Culture Labs ist eher wissenschaftsgerecht als verrückt.

Das Herz gehört Patrik D'haeseleer, einem in Harvard ausgebildeten Computerbiologen, der eine Forschungsgruppe am Lawrence Livermore National Lab leitet. Er sagte, das Geisterherz könnte als Gerüst verwendet werden, auf dem lebendes Gewebe gezüchtet werden könnte, um transplantierbare Organe aus den eigenen Zellen des Patienten herzustellen. Counter Culture Labs, sagt er, lasse ihn solche Dinge auf eine praktische Art und Weise erkunden, die in seinem Job nicht möglich ist.

Patrik D'haeseleer, ein in Harvard ausgebildeter Computerbiologe und Biotech-Käsemacher.

Seine Haltung steht beispielhaft für die sogenannte DIY-Biotech-Bewegung, die im letzten Jahrzehnt entstanden ist. Das Ziel der Bewegung, wie es auf der Website von Counter Culture Labs prägnant heißt, ist es, Neugier zu wecken und Erkundungen zu fördern … Wir bieten einen bequemen, offenen Raum zum Lernen, Gestalten, Tüfteln und Innovieren. Offen für Citizen Scientists, Biohacker und Empiriker aller Couleur!" Die Bewegung vergleicht sich selbstbewusst mit den selbstgebackenen Digitalpionieren der 1970er Jahre, die die digitale Technologie aus Wissenschaft und Wirtschaft in die breitere Sphäre der Amateure entrissen haben. Es steht jedem offen, der eine Idee hat.

Eine Idee wie Echter Veganer Käse.

Als ich das Labor besuche, entdecke ich, dass zum Käseteam ein Biologe, ein Bioethiker, ein klinischer Psychologe im Ruhestand, ein Buchhalter und ein ehemaliger Apple-Vermarkter gehören. "Für mich ist das eine natürliche Erweiterung der Computerkultur", sagt Maria Chavez, die ehemalige Apple-Mitarbeiterin und Leiterin des veganen Käseprojekts. "Was ist größer zu hacken als unser Körper und unsere Umwelt? Es ist eine der letzten großen Grenzen. Die Möglichkeiten sind spannend."

Die Möglichkeiten umfassen nicht nur veganen Kuhkäse, sondern auch veganen Menschenkäse. Das gleiche grundlegende Verfahren zur Synthese von Kuhmilch gilt für Milch von jedem anderen Säugetier. Sie brauchen nur andere Gene. Käse aus künstlicher Muttermilch mag an der Feinkosttheke nicht nach einem Verkaufsschlager klingen. Aber das Team sagt, dass es einen praktischen Zweck erfüllen kann: Käse aus Muttermilch könnte Menschen mit Allergien gegen nicht-menschliche Milchprodukte eine Option bieten. (Chavez sagte, die Gruppe habe ihre Experimente mit Muttermilch aufgrund von Bedenken der Food and Drug Administration bezüglich möglicher Autoimmunreaktionen ausgesetzt.)

Sie hoffen auch, Käse aus der Milch des Narwals herzustellen, dem absonderlichsten Säugetier, das sie sich vorstellen können. Sie hören, dass die Milch die Konsistenz von Zahnpasta hat.

Maria Chavez von Real Vegan Cheese bezeichnet DIY-Biotech als „eine natürliche Erweiterung der Computerkultur“.

Die DIY-Biotech-Bewegung entstand aus und neben einem vom MIT gesponserten Wettbewerb namens iGEM oder "internationale gentechnisch hergestellte Maschine". neue Arten von Mikroorganismen.

Ursprünglich war der Wettbewerb nur für Studenten. Aber nach dem Abschluss waren viele Wettbewerber daran interessiert, diese Art von Arbeit über die traditionellen Grenzen der akademischen Welt hinaus fortzusetzen. Dabei öffnete der Wettbewerb seine Türen weiter. Real Vegan Cheese, oder zumindest das Konzept, gewann 2014 den Preis für das beste Community-Lab-Projekt, dem ersten Jahr, in dem Heimwerker neben Studenten antreten konnten.

Warum Käse? Es schwingt in mehrfacher Hinsicht mit diesen Indie-Wissenschaftlern. Als ein jahrhundertealter Prozess spiegelt die Käseherstellung die handwerkliche Ethik wider, die sie gerne pflegen. Gleichzeitig ist Käse eines der frühesten Beispiele dafür, dass der Mensch Mikroben manipuliert, um eine Substanz in eine andere umzuwandeln – eine Art Protobiotechnologie.

Außerdem sind einige Heimwerker vegan und vermissen Käse. Ja, es gibt vegane Käsesorten aus Pflanzen, aber sie reichen, um es freundlich auszudrücken, zu kurz. „Sie ahmen Proteinstrukturen nach, die es im Pflanzenreich nicht gibt“, sagt Chavez. "Sie haben nicht den gleichen Geschmack oder die gleiche Textur."

Aber sie versuchen nicht nur, sich selbst zu ernähren. Die DIY-Sicht würdigt Open Innovation, die Idee, dass Wissen und Fähigkeiten jedem zum Spielen zur Verfügung stehen sollten. Real Vegan Cheese macht sein Käserezept Open Source. Wie beim traditionellen Käse möchten Heimwerker, dass jeder die Biotech-Version zu Hause herstellen kann.


Bill Detrich ist Professor für Biochemie und Meeresbiologie am Northeastern University Marine Science Center in Boston, Massachusetts.

IRA FLATOW: Das ist Wissenschafts-Freitag. Ich bin Ira Flatow. Später in der Stunde werden wir über die verblüffenden Details der Explosion des Kernreaktors von Tschernobyl sprechen. Aber zuerst reden wir über Blut. In fast jedem Wirbeltier auf der Erde ist unser Blut rot, bei Sittich, Hund, Löwe, Hai. Unverkennbar. Das wissen Sie alle. Und das hat einen Grund. Das Hämoglobin in den roten Blutkörperchen bindet Sauerstoffmoleküle und hilft ihnen, in unsere Zellen zu gelangen. Ohne diese roten Blutkörperchen wären wir anämisch, haben eine viel geringere Kapazität, den Sauerstoff, den wir atmen, zu nutzen.

Aber wagen Sie sich in die Antarktis und Sie werden ein biologisches Wunder finden. Der weltweit einzige weißblütige Fisch, der Eisfisch. Sie haben durchscheinendes Blut entwickelt, das frei von roten Blutkörperchen und Hämoglobin ist. Und es geht ihnen irgendwie gut in den kalten Gewässern des Südpolarmeeres. Wie machen Sie das? Forscher, die diese Woche in der Zeitschrift Nature Ecology and Evolution schreiben, haben Hinweise aus dem Genom von Eisfischen. Und hier, um uns mehr zu erzählen, ist Dr. Bill Detrich, Professor für Biochemie und Meeresbiologie am Marine Science Center der Northwestern University in Boston. Willkommen Dr. Detrich.

BILL DETRICH: Nun, vielen Dank, Ira. Es ist eine Freude, in Ihrer Show zu sein.

IRA FLATOW: Es ist eine Freude, dich zu haben. Dankeschön. Malen Sie uns ein Bild vom Eisfisch für uns. Wir sind also im Radio, wie sieht es aus?

BILL DETRICH: Nun, stellen Sie sich einen ziemlich großen Fisch von etwa einem halben Meter Länge vor. Mit einem Gewicht von 1,2 bis 2 Kilogramm. Hat einen sehr großen Krokodil-ähnlichen Kopf und einen eher kleinen Körper. Seine Haut ist schuppenlos und sehr geisterhaft blass. Und obwohl Sie dies nicht sehen können, fließt Frostschutzmittel durch sein weißes Blut.

IRA FLATOW: Also mehr als nur ein Fisch, es ist eigentlich eine Gruppe von Arten. Richtig?

BILL DETRICH: Richtig. It’s a group of 16 species, none of which produce red blood cells. They’re all profoundly anemic.

IRA FLATOW: Who first discovered this?

BILL DETRICH: Well, this was first recognized by whalers around the turn of the 1900s, when they were in the Southern Ocean and they would catch fish, and open them up and even eat them. But the fish, they noticed, didn’t have red blood. In 1929, a Norwegian zoologist named Ditlef Rustad, actually was able to capture one of these fishes and he communicated this finding to some of his colleagues, who later followed up on it.

IRA FLATOW: So OK, what is the magic the fish does that we can’t do? How does it survive without red blood cells?

BILL DETRICH: Well, that’s a very interesting question, of course. It’s something I’ve been looking into quite a bit. Was tun sie also? They’ve given up on red blood cells, but it was not a lethal condition for them. On the other hand, it wasn’t absolutely positive, because we’ve seen that they’ve evolved very large vasculature and a much expanded heart. They don’t have scales on their skin, so they can breathe through their skin. There are a number of compensations that allow them to do very well in this cold oxygen-rich ocean that they live in.

IRA FLATOW: And your team sequenced the genome of one species of these icefish. Any clues to how it got this white blood? Because I’ve watched videos of this, it’s just like a little serum, right? Colorless.

BILL DETRICH: That’s right. We have been able to establish that virtually all of the hemoglobin genes are absent in this genome. We are also following up to try to find out the chicken versus the egg question. Did these fish lose their red blood cells first, and therefore, didn’t have a cell to express hemoglobin in? Or alternatively, did they lose their hemoglobin genes and then the red cells withered? So that’s a question that we have to follow up on.

IRA FLATOW: So you say that there is enough oxygen circulating in this serum instead of the red blood cells. Is that because they live in such cold water in Antarctica that there’s plenty of oxygen in the water that can suffuse also through their skin and keep them going?

BILL DETRICH: Yes, the Southern Ocean is essentially saturated in oxygen, among other reasons, because it’s very stormy there and that mixes of the water column.

IRA FLATOW: And so I guess in the long-term, global warming would be a threat to these fish.

BILL DETRICH: These fish, in fact, compared to their red-blooded relatives are much more sensitive to temperature. And they, in fact, are likely to be canaries in the coal mine if we see fish beginning to drop out as the Southern Ocean warms.

IRA FLATOW: So these fish basically have had to find a way to adapt to not having the red blood cells.

BILL DETRICH: That’s right. And I think the key clue to that is that you can take one of the red-blooded fishes that are very closely related, and you can expose that fish to carbon monoxide so that all of the hemoglobin is poisoned, no longer able to carry oxygen, and yet, this red-blooded species doesn’t die either. So what that’s telling us is that even the red-blooded fishes in the Southern Ocean are relying on their red cells more as a reserve capacity for oxygen. And the red-blooded fishes are also living on dissolved oxygen like the ice fishes are.

IRA FLATOW: We’ve talked about how cold adaptation in animals might help us with biomedical research like freezing organs for transplant, for example. Is there anything the icefish and its blood could teach us about ourselves and help us?

BILL DETRICH: Yes, I think that the answer there is that we still don’t know all of the genes that are involved in making red blood cells. And these fish that have lost the capacity to do so, that’s going to leave a genomic signature behind. And that genomic signature is likely to reveal new genes for us to investigate and potential new targets for therapy for anemias.

IRA FLATOW: Have you caught one of these fish yourself?

BILL DETRICH: Yes, I have. Yes, quite often.

IRA FLATOW: In a net? With a hook? How easy are they to catch?

BILL DETRICH: We typically use a small scientific net that we trawl behind the Laurence M. Gould, our research icebreaker in the Antarctic Peninsula.

IRA FLATOW: Years ago when I was in Antarctica, I was watching scientists catch what they called the Antarctic cod fish at those times. They were living at the bottom of the continental shelf 1,000 feet down. They’d bring them up, they’d drain the blood because they were looking at the antifreeze. They were studying the antifreeze in the blood. And then they would smoke the fish and it was so delicious, I remember. Because they didn’t need the fish, they just needed the blood. Have you tasted this fish at all?

BILL DETRICH: Yes. And, in fact, the ice fish, the genome we sequenced, that species is very, very good.

IRA FLATOW: Aha. And do these fish have the same kind of antifreeze that other fish have in their regular blood system, so that they don’t freeze?

BILL DETRICH: Right. They have the same antifreeze, in fact, as the cod fish that you experienced.

IRA FLATOW: Mm-hmm. So what do you want to know now? What’s your next step in this research?

BILL DETRICH: Well, the next step in the research is to try to figure out the chicken and egg question. Whether red blood cells were lost first, or whether hemoglobin was lost first and subsequently the red cell disappeared from the blood profile?

IRA FLATOW: And how do you do that?

BILL DETRICH: Well, we’re going to need to sequence other genomes, other icefish genomes and genomes of the red-blooded relatives. And by applying phylogeny we should be able to tease out which of the events occurred first. That’s a long-term goal, but I think it’s doable.

IRA FLATOW: What’s your suspicion? If you were–

BILL DETRICH: If I was a betting man?

IRA FLATOW: If you were a betting man, yeah.

BILL DETRICH: If I was a betting man, I think that the hemoglobin genes went first.

IRA FLATOW: That does make sense, doesn’t it?

BILL DETRICH: It does make sense. And partly, I’d base that on prior research that we’ve done across the 16 species where we see that there are just a couple of different gene variants in terms of the globin genes that have been lost. So I guess based on that, I would be willing to bet that the hemoglobin genes went first.

IRA FLATOW: And why would that be an advantage to them to survive?

BILL DETRICH: Well, not so much the loss of hemoglobin, but the loss of the red cell. Imagine if we take a unit of human blood and cool it down to refrigerator temperatures, it becomes rather viscus. And viscus fluid is harder to pump through circulation than one that isn’t. So potentially, the ice fishes, by giving up their red blood cells, have reduced the energy that they need to pump their blood fluid, if you will.

IRA FLATOW: So it’s easier for them that way. Now, the icefish seem to be the only vertebrates with no red blood cells whatsoever. To me, that’s kind of unheard of. An exception like that in biology to lose something that’s so conserved in a whole group of organisms.

BILL DETRICH: Yes. It’s quite remarkable. Darwin actually had a term for creatures such as the icefish. He called them wrecks of ancient life because they’d lost important traits that were present in their ancestors. And in the case of the icefish we’re talking about it’s loss of red blood cells and also the loss of dense bones.

IRA FLATOW: Oh, so are they more cartilaginous?

BILL DETRICH: Yeah, they are more cartilaginous. And they’re actually rather floppy animals, because they don’t have– their bones are not firm.

IRA FLATOW: So I guess the term icefish would be because they live among where the ice is, but not that they’re frozen or anything. This reminds me of cave fish losing their eyes and not needing them, because they don’t need them, they get along fine without them.

BILL DETRICH: That’s right. They don’t see any photons of light. They actually– cave fish start out making an eye as they are developing, and then that primitive eye regresses and they’re blind.

IRA FLATOW: Fascinating. Thank you, Dr. Detrich. Dankeschön. We’re much more informed now and thank you for taking time to be with us today.

BILL DETRICH: Well, thank you very much for having me. And I hope I’ve stimulated some interest in these really unusual creatures.

IRA FLATOW: You certainly have. Dr. Bill Detrich, Professor of Biochemistry and Marine Biology at Northeastern University in Boston.


Nature of the Work

Bioinformatics scientists work at the intersection of biology, computer science, and information technology (IT), helping identify the genetic causes of human, animal, and plant development and disease. They create the methods and algorithms for integrating knowledge about genes to help other scientists analyze and interpret gene-expression data. Bioinformatics scientists design and apply the computer systems and databases used to organize and analyze large amounts of genomic, pharmacological, and other biological data. Large amounts of data are generated by biologists and geneticists through research, and this information must be stored, organized, labeled, and mined so that scientists around the world can share and work with it to make discoveries. Bioinformatics scientists conduct research to study huge molecular datasets including DNA, microarray, and proteomics data.

Bioinformatics scientists develop software and custom scripts that automate data mining and manipulation. They develop these tools using Perl, PHP, MySQL, and other computer languages. Bioinformatics scientists also use standard tools such as Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) and other sequence comparison software packages for data mining.

Bioinformatics scientists assist in the preparation of journal publications and present their findings at professional meetings and seminars.

Work Environment

Bioinformatics scientists work for private corporations, universities doing genomics and genetics research, and for government agencies such as the National Institutes of Health. Bioinformatics scientists typically work regular hours. However, longer hours are not uncommon. Evening or weekend work may be necessary to meet deadlines or to solve specific problems. As networks expand, telecommuting is increasingly common for many bioinformatics scientists, enabling them to work from remote locations through modems, laptops, electronic mail, and the Internet.

Bioinformatics scientists may be required to work odd or long hours in front of their desks or in the database laboratory.


Course Instructors

Christine DeGennaro, PhD

Lecturer in Genetics, Harvard Medical School

Why do you think it’s important for aspiring health care professionals to learn genetics?

As DNA sequencing becomes cheaper and more readily available, the role of genetics in medicine is expanding. With our increasing understanding of the variation in the human genome, we can start to predict how specific changes in DNA sequence will affect an individual’s health. Human genetics is extremely complicated, but it is apparent that many human diseases are influenced by genetics. From a medical perspective, this includes everything from rare DNA sequence variants that drastically increase risk of a disease, to common variants that lead to small changes in risk.

Historically, genetics specialists have helped patients to navigate these situations, but genetics is beginning to permeate medicine as a whole. This means that health care professionals across many fields are faced with new questions. When do you recommend genetic testing to a patient? What kind of testing will provide the most conclusive results? How do you help the patient to understand those results, and use them to make decisions about his or her care? Moving forward, an understanding of the principles of genetics and an ability to apply them in today’s medical landscape will be an enormous asset for any health care professional.

What do you want students to take away from this course?

Even outside of medicine, genetics has a very important presence in our world today, so, fundamentally, what I would like students to take away from this course is a level of genetic literacy that will allow them to navigate the questions and decisions that they will face in their own lives.

Direct-to-consumer genetic testing now allows everyone to learn about their own genetics these tests can potentially include information about health and disease risk and ancestry that have significant impacts for individuals and their families. When making decisions about genetic testing, it is important to be informed about exactly what you will learn and what the consequences of the results might be down the line. In this course, we put the fundamental principles of human genetics into the context of the world today, which will provide students with the tools and resources to ask the right questions and make informed genetic decisions.

Robert C. Green, MD, MPH

Professor of Medicine, Harvard Medical School
Associate Physician, Brigham and Women’s Hospital
Geneticist, Brigham and Women’s Hospital
Director, Genomes2People Research Program at Brigham and Women’s Hospital

Why are you interested in genetics and genomics?

Genomics is inherently exciting, and you can see that because of its relationship to forensic law enforcement, reproduction, ancestry, cancer and all sorts of medical developments, and all of the controversy related to direct-to-consumer genetic testing.

The skeleton of genetics is sequencing, and people are building on that – with gene expression, proteomics, metabolomics. So there are multiple layers of knowledge and exploration that are generating tremendous excitement in the world, and motivating enormous investment – scientifically, educationally, financially, and entrepreneurially. So the question isn’t really why I’m interested in genomics, the question is why isn’t everybody interested in genomics because it’s so fabulously interesting.

Carrie Blout, MS, CGC, LGC

Senior Genetic Counselor and Project Manager, Brigham & Women’s Hospital

Why do you think it’s important for aspiring health care professionals to learn genetics?

Genetics is really a subspecialty of all specialties. The more we understand the genetic basis of biology, the more we will understand human health and disease. Having a strong background in genetics will be important as genomic technologies continue to expand and are implemented more and more into clinical care. Understanding how to look for patterns of disease and when to refer a patient to other specialists is an important tool for every health care provider, and as more patients have genetic results in their medical records, having the ability to understand how this is or is not important to your patients’ medical care will be of the utmost importance. Overall a global knowledge of genetics will help you to provide better care to your future patients.

What do you want students to take away from this course?

I hope students are able to grasp some of the basic concepts about genetics and to understand why it is a vital part of medical care. I hope that this background knowledge will be useful to them if and when they care for patients who come to them with a genetic test result, a family history of genetic disease or a presenting genetic diagnosis. I hope this course excites them about the concept of genetics and genomics and encourages them to want to learn more as their career progresses.


In the future we won’t edit genomes—we’ll just print out new ones

NYU School of Medicine

At least since thirsty Sumerians began brewing beer thousands of years ago, Homo sapiens has had a tight relationship with Saccharomyces cerevisiae, the unicellular fungus better known as brewer’s yeast. Through fermentation, humans were able to harness a microscopic species for our own ends. These days yeast cells produce ethanol and insulin and are the workhorse of science labs.

That doesn’t mean S. cerevisiae can’t be further improved—at least not if Jef Boeke has his way. The director of the Institute for Systems Genetics at New York University’s Langone Health, Boeke is leading an international team of hundreds dedicated to synthesizing the 12.5 million genetic letters that make up a yeast’s cells genome.

In practice, that means gradually replacing each yeast chromosome—there are 16 of them—with DNA fabricated on stove-size chemical synthesizers. As they go, Boeke and collaborators at nearly a dozen institutions are streamlining the yeast genome and putting in back doors to let researchers shuffle its genes at will. In the end, the synthetic yeast—called Sc2.0—will be fully customizable.

“Over the next 10 years synthetic biology is going to be producing all kinds of compounds and materials with microorganisms,” says Boeke. “We hope that our yeast is going to play a big role in that.”

Think of the project as something like Henry Ford’s first automobile—hand built and, for now, one of a kind. One day, though, we may routinely design genomes on computer screens. Instead of engineering or even editing the DNA of an organism, it could become easier to just print out a fresh copy. Imagine designer algae that make fuel disease-proof organs even extinct species resurrected.

Jef Boeke leads an effort to create yeast with a man-made genome.

“I think this could be bigger than the space revolution or the computer revolution,” says George Church, a genome scientist at Harvard Medical School.

Researchers have previously synthesized the genetic instructions that operate viruses and bacteria. But yeast cells are eukaryotic—meaning they confine their genomes in a nucleus and bundle them in chromosomes, just as humans do. Their genomes are also much bigger.

That’s a problem because synthesizing DNA is still nowhere near as cheap as reading it. A human genome can now be sequenced for $1,000, with the cost still falling. By comparison, to replace every DNA letter in yeast, Boeke will have to buy $1.25 million worth of it. Add labor and computer power, and the total cost of the project, already under way for a decade, is considerably more.

Along with Church, among others, Boeke is a leader of GP-write, an organization advocating for international research to reduce the cost of designing, engineering, and testing genomes by a factor of a thousand over the next decade. “We have all kinds of challenges facing ourselves as a species on this planet, and biology could have a huge impact on them,” he says. “But only if we can drive down costs.”

Bottom up

A scientist named Ronald Davis at Stanford first suggested the possibility of synthesizing the yeast genome at a conference in 2004—though initially, Boeke didn’t see the point. “Why would anyone want to do this?” he recalls thinking.

But Boeke came around to the idea that manufacturing a yeast genome might be the best way to comprehend the organism. By replacing each part, you might learn which genes are necessary and which the organism can live without. Some team members call the idea “build to understand.”

“It’s a different take on trying to understand how living things work,” says Leslie Mitchell, a postdoctoral fellow in the NYU lab and one of the main designers of the synthetic yeast. “We learn what gaps in our knowledge exist in a bottom-up genetic approach.”

Joel Bader, a computer scientist at Johns Hopkins, signed on to develop software that let scientists see the yeast chromosomes on a screen and keep track of versions as they changed, like a Google Docs for biology. And in 2008, to make the DNA, Boeke launched an undergraduate course at Hopkins called “Build a Genome.” Students would learn basic molecular biology as each one assembled a continuous stretch of 10,000 DNA letters that would go toward the synthetic-yeast project. Later, several institutions in China joined to share the workload, along with collaborators in Britain, Australia, and Japan.

“We assign chromosomes to individual teams, like assigning a chapter of a book, and they have the freedom to decide how to do it, as long as it’s based 100 percent on what we design,” says Patrick Cai, a synthetic biologist at the University of Manchester and the yeast project’s international coordinator.

Nächste Schritte

It took Boeke and his team eight years before they were able to publish their first fully artificial yeast chromosome. The project has since accelerated. Last March, the next five synthetic yeast chromosomes were described in a suite of papers in Wissenschaft, and Boeke says that all 16 chromosomes are now at least 80 percent done. These efforts represent the largest amount of genetic material ever synthesized and then joined together.

It helps that the yeast genome has proved remarkably resilient to the team’s visions and revisions. “Probably the biggest headline here is that you can torture the genome in a multitude of different ways, and the yeast just laughs,” says Boeke.

George Church of Harvard University speaks at a meeting of genome engineers.

Boeke and his colleagues aren’t simply replacing the natural yeast genome with a synthetic one (“Just making a copy of it would be a stunt,” says Church). Throughout the organism’s DNA they have also placed molecular openings, like the invisible breaks in a magician’s steel rings. These let them reshuffle the yeast chromosomes “like a deck of cards,” as Cai puts it. The system is known as SCRaMbLE, for “synthetic chromosome recombination and modification by LoxP-mediated evolution.”

The result is high-speed, human-driven evolution: millions of new yeast strains with different properties can be tested in the lab for fitness and function in applications like, eventually, medicine and industry. Mitchell predicts that in time, Sc2.0 will displace all the ordinary yeast in scientific labs.

The ultimate legacy of Boeke’s project could be decided by what genome gets synthesized next. The GP-write group originally imagined that making a synthetic human genome would have the appeal of a “grand challenge.” Some bioethicists disagreed and sharply criticized the plan. Boeke emphasizes that the group will “not do a project aimed at making a human with a synthetic genome.” That means no designer people.

Ethical considerations aside, synthesizing a full human genome—which is over 250 times larger than the yeast genome—is impractical with current methods. The effort to advance the technology also lacks funding. Boeke’s yeast work has been funded by the National Science Foundation and by academic institutions, including partners in China, but the larger GP-write initiative has not attracted major support, other than a $250,000 initial donation from the computer design company Autodesk. Compare that with the Human Genome Project, which enjoyed more than $3 billion in US funding.

“This is a revolution we don’t want to fall behind on,” says Church. “If the federal government and all 50 states don’t want to do this, we will reap what we sow. We will be left behind.”

In the meantime, the labor goes on, base pair by base pair. Amid the journal covers and team photographs, Boeke has a quote on the door of his office, attributed to the geneticist Theodosius Dobzhansky: “Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.” Whatever grand project succeeds Sc2.0—perhaps synthesizing the genome of a mouse, or engineering pigs to develop safe organs for human transplant—it will increasingly be humans directing that evolution. If that’s the case, Sc2.0 may end up being the second most important achievement ever to feature yeast—after beer.


Schau das Video: Viral Genome Sequencing and COVID-19: 4 minutes with Sharon Peacock (Kann 2022).