science >> Wetenschap >  >> Biologie

Kan een naaimachine DNA aan elkaar naaien?

Als je denkt dat dat er moeilijk uitziet met draad van normaal formaat, stel je voor dat je een minuscule DNA-streng probeert te naaien. Lee Strickland/Getty Images

We nemen het u niet kwalijk dat u van DNA uw naaiproject wilt maken. Ten slotte, DNA vormt onze genetische code en, als zodanig, het heeft een enorme biologische kracht. Het vertelt onze cellen wat ze moeten doen. Als we twee meter groeien, in tegenstelling tot zeggen, twee flippers, het is omdat onze cellen de instructies volgen die in ons DNA zijn gecodeerd. En als we tumoren ontwikkelen, onze cellen volgen de instructies van het DNA, te.

Wat als je je genetische code zou kunnen veranderen? Wat als het net zo eenvoudig was als quilten? Kun je de "lange" code samenvoegen met de "donkere en knappe" code, jezelf lang maken, donker en knap?

Het antwoord is om verschillende redenen een volmondig "nee". Eerst, zo slim als genetici zijn, ze hebben de meeste genen die ons lang maken nog steeds niet gelokaliseerd, donker en knap. Tweede, zodra we in het begin van de ontwikkeling verder groeien dan een bal van een paar cellen, het wordt technisch erg moeilijk om het DNA in al onze cellen te veranderen. Bij volwassenen, dat zou knutselen met ongeveer 100 biljoen cellen vereisen [bron:Boal].

Er is nog een andere fout in uw project:die naaimachine. Als je je DNA probeerde te manipuleren met een naaimachine, je zou het kapot slaan. Gemiddeld, de naald van een naaimachine heeft een diameter van ongeveer 1 millimeter [bron:Schmetz]. De breedte van een menselijk chromosoom is minstens 500 keer kleiner [bron:Campbell et al.]. In aanvulling, DNA is eigenlijk heel kwetsbaar. Het kan niet veel kracht weerstaan ​​zonder te breken. In feite, als je een paperclip hing -- een die 50 miljoen keer lichter was dan de kantoorvariant -- aan het einde van DNA, je zou het breken [bron:Terao].

Dus tenzij je toevallig een wetenschapper bent die bedreven is in gentherapie, je hebt niet de apparatuur of de knowhow om je DNA te veranderen. Maar gelukkig doen je cellen dat wel, en ze hechten elke dag DNA aan elkaar zonder jouw hulp. Lees verder om meer te weten te komen over de naaimachine van de natuur.

De naaifabriek in je cellen

DNA, het betreffende naaiproject SMC Images/Getty Images

Als je hebt gelezen hoe cellen werken, je weet dat onze cellen zich delen. Zo houden we onszelf in stand, groeien en blessures herstellen. Als je een volwassene bent, het zal u misschien verbazen te horen dat 2 miljoen cellen in uw beenmerg zich elke seconde delen om voldoende rode bloedcellen in uw bloed te houden [bron:Becker].

Elk van uw nieuwe beenmergcellen ziet eruit en werkt net als de oude. Waarom? Omdat ze dezelfde genetische instructies hebben in de vorm van DNA. De oude cellen doen veel moeite om hun DNA te kopiëren en door te geven aan de nieuwe cellen. Je zou denken dat het gebeurt als kopiëren op een kopieermachine, waar oude cellen hun oude DNA bewaren, en nieuwe cellen krijgen nieuw DNA. Maar wat er in plaats daarvan gebeurt, lijkt meer op naaien.

Als je in een van je oude beenmergcellen zou kunnen kijken, je zou zien dat DNA is gemaakt van twee strengen die door chemische bindingen aan elkaar zijn "genaaid". Als de cel zich deelt, een "schaar" enzym, genaamd helicase , scheurt de twee strengen uit elkaar. Als kleine spelden, bindende eiwitten houd de twee strengen uit elkaar. DNA-polymerase , een enzym dat lijkt op de beste kleermaker in de stad, volgt het sjabloon van de oude strengen en naait een nieuwe streng in die gemaakt is van bouwstenen in de cel. Nadat de cellen zijn gesplitst, elk heeft "op maat" DNA gemaakt van een nieuwe en een oude streng. DNA-replicatie is een verbazingwekkend en ingewikkeld proces waarover u meer kunt leren in Hoe DNA werkt.

Nu we weten hoe onze cellen dit proces capabel en constant voltooien, laten we eens kijken hoe aspirant-naaister-wetenschappers het vergelijken.

DNA naaien voor de wetenschap

Een schema van de voorgestelde machine van Doyle waarbij W de breedte is, L is lengte, E is elektrisch veld, X is horizontale beweging en Y is verticale beweging. Afbeelding met dank aan Patrick Doyle, MIT Afdeling Chemische Technologie

Het mag niet gebeuren op een Singer naaimachine compleet met voetpedaal, maar wetenschappers "naaien" vaak stukjes van het DNA van het ene organisme in dat van een ander. Het resultaat heet recombinant of " chimerisch " DNA , vernoemd naar chimaera's, de mythische wezens die deels een leeuw zijn, deels geit en deels slang.

Vaak zullen wetenschappers menselijk DNA invoegen in bacterieel of gist-DNA [bron:Tamarin]. Met een beetje extra techniek, bacteriën en gisten kunnen het gerecombineerde DNA opnemen en de instructies volgen alsof er niets is gebeurd. De organismen maken dan menselijke eiwitten. Het proces heeft veel toepassingen in onderzoek, industrie en geneeskunde. Direct, bacteriën en gisten maken enorme hoeveelheden humane insuline aan, die wordt gebruikt om diabetici te behandelen [bronnen:Cold Spring Harbor National Laboratory, Eli Lilly].

Naast het naaien van DNA, wetenschappers zijn het ook aan het rechttrekken. Ons DNA is opgerold, opgerold, opgerold. Om het te bestuderen, je moet het rechtzetten. Een populaire manier is om een ​​kraal aan beide uiteinden van het DNA te bevestigen, pak de kralen op met een laserstraal en trek de kralen voorzichtig uit elkaar, zegt Patrick Doyle, een professor in chemische technologie aan het MIT.

Wat doen wetenschappers in hemelsnaam met rechtgetrokken DNA? In Hoe epigenetica werkt, je leert dat de buitenwereld, en zelfs de wereld van onze ouders, kan beïnvloeden welke van de instructies in onze genen ons lichaam volgt. De omgeving kan met onze cellen 'praten' via moleculen die het lezen van ons DNA sturen. Door DNA recht te trekken, of in ieder geval een beetje ontrollen, wetenschappers kunnen deze modificaties bestuderen. Ze kunnen kijken naar eiwitten die chemicaliën aan ons DNA hechten of genen aan- en uitzetten. Een ander gebruik van de kralentruc is het testen of medicijnen die bedoeld zijn om aan DNA te binden, zullen werken. Wetenschappers kunnen voelen of het medicijn aan DNA is gebonden door veranderingen in de spanning van de spoel te meten [bron:Doyle].

Als je machines wilt, ja -- onderzoekers bouwen kleine apparaten die niet naaien, maar wel DNA rechttrekken. Doyle maakt er een ter grootte van een postzegel die DNA in een stroom vloeistof door een trechter stuurt, het rechttrekken. Het kan onderdeel worden van een omgevingssensor die organismen uit de lucht zuigt en gevaarlijke microben detecteert aan de hand van hun DNA-sequentie. Wil je Doyle's apparaat in je kelder zetten, naast je naaimachine? Niet zo snel:het is niet te koop, en het kost meer dan $ 10, 000 te maken.

Maar het apparaat dat de prijs wint omdat het enigszins lijkt op een DNA-naaimachine, woont in de laboratoria van de universiteit van Kyoto. Iets groter dan een creditcard, het gebruikt ook vloeistof om DNA op een chip rond te duwen. In een artikel uit 2008 gepubliceerd in het tijdschrift Lab on a Chip, de onderzoekers toonden aan dat ze een prop gistchromosomen konden ontvouwen en, met behulp van stromende vloeistof en een kleine haak, schil ze uit elkaar en plak ze op palen. Vervolgens, de chromosomen weer laten opzwellen, ze wikkelden ze rond twee spoelen [bron:Terao]. De haken en spoelen meten in de miljoensten van een meter - duizenden passen op de kop van een speld. Hoewel het apparaat niet is getest op menselijk DNA, Doyle zegt dat de technische vertoning van manipulatie lang, gemakkelijk breekbaar DNA zonder het te breken was "best cool". "Ze hadden een slimme manier om elke oude grote DNA-streng te pakken en te verplaatsen, " hij zegt.

Dus je kunt DNA niet aan elkaar naaien met een conventionele naaimachine, maar wetenschappers kunnen DNA in ons voordeel manipuleren. Blijf lezen om te zien wat wetenschappers nog meer doen op het gebied van genetica.

Speciale dank

Dank aan Ponzy Lu van de Universiteit van Pennsylvania en Patrick Doyle van het MIT voor hun hulp bij dit artikel.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe cellen werken
  • Hoe DNA werkt
  • Hoe epigenetica werkt
  • Wat is het Human Epigenome Project?
  • Hoe naaimachines werken
  • 5 meest gekloonde dieren
  • Kunnen we onze organen klonen voor gebruik bij een transplantatie?
  • Hoe genenbanken werken

Meer geweldige links

  • Animatie over het opnieuw combineren van DNA van DNA Interactive. (Klik op technieken, knippen &plakken, en het recombineren van DNA.)
  • Verhaal over hoe voor het eerst humane insuline werd gemaakt door micro-organismen. (Klik op productie.)

bronnen

  • Becker, Wayne et al. "De wereld van de cel." Benjamin Cummings. 2003.
  • Boel, David. "Mechanica van de cel." Cambridge University Press. 2002.
  • Campbell, Neil et al. "Biologie." Benjamin Cummings. 1999.
  • Nationaal laboratorium Cold Spring Harbor. DNA Interactief. "Samengevoegd:synthetische insuline is gemaakt met behulp van recombinant DNA. 2003. (15/10/2008) http://www.dnai.org/b/index.html
  • Doyle, Patrick. Persoonlijk interview. Uitgevoerd 10/10/2008.
  • Eli Lilly en Bedrijf. "Humulin R-informatie voor de patiënt." 2008. (16-10-2008)  http://pi.lilly.com/us/humulin-r-ppi.pdf
  • lu, Pony. Persoonlijk interview. Uitgevoerd 10/10/2008.
  • Tamarin, Robert. "Beginselen van de genetica." McGraw-Hill. 2002.
  • Terao, Kyohei et al. "Uitbreiding van chromosomaal DNA in microstructuren met behulp van elektro-osmotische stroming." Journal of Physics:gecondenseerde materie. Nee. 18. 10 mei 2006.
  • Terao, Kyohei et al. "On-site manipulatie van enkelvoudige chromosomale DNA-moleculen met behulp van optisch aangedreven microstructuren." Lab-chip. Vol. 8, Nee. 8. Augustus 2008.
  • Schmetz Naald Corporation. "Sales Guide Ready Reference:Schmetz-naalden voor naaimachines." 2008. (15/10/2008) http://www.schmetzneedles.com/Schmetz_Sales_Guide.pdf