I nucleotidi sono i mattoni chimici della vita e si trovano nel DNA degli organismi viventi. Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero, fosfato e una base contenente azoto: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). L'ordine specifico di queste basi nucleotidiche determina quali proteine, enzimi e molecole verranno sintetizzati dalla cellula.
Determinare l'ordine o la sequenza dei nucleotidi è importante per lo studio delle mutazioni, dell'evoluzione, della progressione della malattia, test genetici, indagini forensi e medicina.
Genomica e sequenziamento del DNA
La genomica è lo studio del DNA, dei geni, delle interazioni geniche e delle influenze ambientali sui geni. Il segreto per svelare i complessi meccanismi interni dei geni è riuscire a identificare la loro struttura e posizione sui cromosomi.
Il progetto degli organismi viventi è determinato dall'ordine (o sequenza) delle coppie di basi di acido nucleico nel DNA. Quando il DNA si replica, l'adenina si accoppia con la timina e la citosina con la guanina; le coppie non corrispondenti sono considerate mutazioni Da quando la molecola di acido desossiribonucleico (DNA) a doppia elica è stata concettualizzata nel 1953, sono stati fatti notevoli miglioramenti nel campo della genomica e del sequenziamento del DNA su larga scala. Gli scienziati stanno lavorando diligentemente per applicare queste nuove conoscenze al trattamento individualizzato delle malattie. Allo stesso tempo, le discussioni in corso consentono ai ricercatori di stare al passo con le implicazioni etiche di tali tecnologie in rapida espansione. Il sequenziamento del DNA è il processo per scoprire la sequenza di varie basi nucleotidiche in frammenti di DNA. Il sequenziamento di tutti i geni consente di confrontare cromosomi e genomi presenti nella stessa specie e in diverse specie. La mappatura dei cromosomi è utile per la ricerca scientifica. Analizzare i meccanismi e la struttura di geni, alleli e mutazioni cromosomiche nelle molecole di DNA suggerisce nuovi modi di trattare i disturbi genetici e fermare la crescita tumorale cancerosa, ad esempio. Metodi di sequenziamento del DNA di Frederick Sanger ha notevolmente migliorato il campo della genomica a partire dagli anni '70. Sanger si sentì pronto ad affrontare il sequenziamento del DNA dopo aver sequenziato con successo l'RNA durante lo studio dell'insulina. Sanger non è stato il primo scienziato a dilettarsi nel sequenziamento del DNA. Tuttavia, i suoi ingegnosi metodi di sequenziamento del DNA - sviluppati in collaborazione con i colleghi Berg e Gilbert - hanno vinto un premio Nobel nel 1980. Sanger conosceva il potenziale valore del suo lavoro e spesso collaborava con altri scienziati che condividevano i suoi interessi nel DNA, nella biologia molecolare e nelle scienze della vita. Sebbene lenti e costosi rispetto alle odierne tecnologie di sequenziamento, i metodi di sequenziamento del DNA di Sanger furono lodati all'epoca. Dopo prove ed errori, Sanger ha scoperto la "ricetta" biochimica segreta per separare i filamenti di DNA, creare più DNA e identificare l'ordine dei nucleotidi in un genoma. Materiali di alta qualità possono essere facilmente acquistati per l'uso in laboratorio studi: Sanger ha scoperto come tagliare il DNA in piccoli segmenti usando l'enzima DNA polimerasi. Ha quindi prodotto più DNA da un modello e traccianti radioattivi inseriti nel nuovo DNA per delimitare sezioni dei fili separati. Ha anche riconosciuto che l'enzima aveva bisogno di un primer che potesse legarsi a un punto specifico sul filamento del modello. Nel 1981, Sanger fece di nuovo la storia scoprendo il genoma delle 16.000 coppie di basi del DNA mitocondriale. La temperatura deve essere attentamente regolata durante tutto il processo di sequenziamento. Innanzitutto, i prodotti chimici vengono aggiunti a un tubo e riscaldati per svelare (denaturare) la molecola di DNA a doppio filamento. Quindi la temperatura viene raffreddata, consentendo al primer di legarsi. Successivamente, la temperatura viene aumentata per incoraggiare l'attività ottimale della DNA polimerasi (enzima). La polimerasi utilizza in genere i normali nucleotidi disponibili, che sono aggiunto a una concentrazione più elevata. Quando la polimerasi arriva a un nucleotide legato alla tintura "terminante a catena", la polimerasi si ferma e la catena finisce lì, il che spiega perché i nucleotidi colorati sono chiamati "terminazione a catena" o "terminatori". Il processo continua molte, molte volte. Alla fine, il nucleotide legato al colorante è stato posizionato in ogni singola posizione della sequenza del DNA. L'elettroforesi su gel e i programmi per computer possono quindi identificare i colori del colorante su ciascuno dei filamenti di DNA e capire l'intera sequenza di DNA basata sul colorante, la posizione del colorante e la lunghezza dei filamenti. Il sequenziamento ad alto rendimento - generalmente denominato sequenziamento di prossima generazione I metodi di sequenziamento di nuova generazione possono gestire analisi del DNA ad alto volume senza l'aggiunta di un passaggio di amplificazione o clonazione a ottenere abbastanza DNA per il sequenziamento. Le macchine per il sequenziamento del DNA eseguono più reazioni di sequenziamento contemporaneamente, il che è più economico e più veloce. In sostanza, la nuova tecnologia di sequenziamento del DNA esegue centinaia di reazioni di Sanger su un microchip piccolo e facilmente leggibile che viene poi eseguito attraverso un computer programma che assembla la sequenza. La tecnica legge frammenti di DNA più brevi, ma è ancora più veloce ed efficiente dei metodi di sequenziamento di Sanger, quindi anche i progetti su larga scala possono essere completati rapidamente. Il progetto Human Genome, completato nel 2003, è uno dei più famosi studi di sequenziamento fatti fino ad oggi. Secondo un articolo del 2018 in Science News Institute, il progetto ha mappato con successo il genoma umano utilizzando un campione composito prelevato da donatori di sangue anonimi. Il progetto Human Genome si basava sul cromosoma artificiale batterico (BAC basati su metodi di sequenziamento per mappare coppie di basi. La tecnica utilizzava i batteri per clonare frammenti di DNA, risultando in grandi quantità di DNA per il sequenziamento. I cloni furono quindi ridotti di dimensioni, collocati in una macchina per il sequenziamento e assemblati in tratti che rappresentavano il DNA umano. Le nuove scoperte nella genomica stanno cambiando profondamente gli approcci alla prevenzione, individuazione e trattamento delle malattie. Il governo ha impegnato miliardi di dollari nella ricerca sul DNA. Le forze dell'ordine si basano sull'analisi del DNA per risolvere i casi. I kit di test del DNA possono essere acquistati per uso domestico per ricercare origini e identificare varianti genetiche che possono comportare rischi per la salute: Le nuove tecnologie spesso comportano la possibilità di benefici sociali e danni; esempi includono malfunzionamenti di centrali nucleari e armi nucleari di distruzione di massa. Anche le tecnologie del DNA comportano rischi. Le preoccupazioni emotive sul sequenziamento del DNA e sugli strumenti di modifica genetica come il CRISPR includono i timori che la tecnologia potrebbe facilitare la clonazione umana o portare a animali transgenici mutanti creati da uno scienziato canaglia. > Più spesso, le questioni etiche relative al sequenziamento del DNA hanno a che fare con il consenso informato. Un facile accesso al test del DNA diretto al consumatore significa che i consumatori potrebbero non comprendere appieno come le loro informazioni genetiche verranno utilizzate, archiviate e condivise. I laici potrebbero non essere emotivamente pronti a conoscere le loro varianti genetiche difettose e i rischi per la salute. Terze parti come i datori di lavoro e le compagnie assicurative potrebbero potenzialmente discriminare le persone che portano geni difettosi che possono causare gravi problemi di salute.
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Definizione di sequenziamento del DNA
Sequenziamento del DNA: prime ricerche
La più grande ambizione di Sanger era il sequenziamento di genomi interi su larga scala, ma il sequenziamento delle minuscole coppie di basi di un batteriofago impallidito rispetto a sequenziamento dei 3 miliardi di paia di basi del genoma umano. Tuttavia, imparare a sequenziare l'intero genoma di un basso batteriofago è stato un passo importante verso il raggruppamento dell'intero genoma degli esseri umani. Poiché il DNA e i cromosomi sono costituiti da milioni di coppie di basi, la maggior parte dei metodi di sequenziamento separa il DNA in piccoli filamenti e quindi i segmenti di DNA vengono riuniti insieme; ci vuole solo tempo o macchine veloci e sofisticate.
Nozioni di base sul sequenziamento del DNA
Metodi di sequenziamento del DNA: metodi di Sanger
Un altro entusiasmante sviluppo fu il metodo del fucile che campionò e sequenziò casualmente fino a 700 coppie di basi contemporaneamente. Sanger è anche noto per il suo uso del metodo dideoxy (dideoxynucleotide) che inserisce un nucleotide che termina la catena durante la sintesi del DNA per contrassegnare sezioni di DNA per l'analisi. I videoxynucleotides interrompono l'attività della DNA polimerasi e impediscono ai nucleotidi di accumularsi in una stringa di DNA.
Passaggi di sequenziamento del DNA
Progressi nella tecnologia di sequenziamento del DNA
- utilizza nuovi progressi e tecnologie per sequenziare le basi dei nucleotidi in modo più rapido ed economico che mai. Una macchina per il sequenziamento del DNA è in grado di gestire facilmente tratti di DNA su larga scala. In effetti, l'intero genoma può essere eseguito in poche ore, anziché in anni con le tecniche di sequenziamento di Sanger.
The Human Genome Project
, il genoma umano è costituito da circa 46.831 geni, che è stata una sfida formidabile per la sequenza. I migliori scienziati di tutto il mondo hanno trascorso quasi 10 anni collaborando e consultando. Guidato dal National Human Genome Research
Altri esempi di sequenziamento del DNA
Implicazioni etiche di Sequenziamento del DNA
