Собираем мозаику: геномика
05.06.2006
7959
0
79590
Начало брошюры см. здесь.
Мощные биотехнологические методы исследований обеспечили высокую скорость развития биологии как фундаментальной науки. С их помощью ученые расчленяют клеточные и генетические процессы на мельчайшие фрагменты, что позволяет получать представление о биологических системах на самом тонком молекулярном уровне. Но живые организмы не функционируют как набор отдельных фрагментов, поэтому единственный способ понять, что действительно происходит внутри живого организма, – это найти каждому мельчайшему фрагменту место в одной или нескольких из огромного множества взаимодействующих между собой систем, образующих организм.
Необходимость объединения всех отдельных открытий в одну общую картину дала начало целому ряду научных направлений. Геномика, протеомика, метаболомика, иммуномика, транскриптомика – новые биологические науки, задача которых заключается в интегрировании информации, получаемой в результате различных исследований, в единую систему. Кроме биотехнологических приемов, важность которых не вызывает сомнений, для объединения разрозненных данных в единое целое необходимо активное использование современных информационных технологий.
Задача описанных ниже научных направлений заключается в выявлении возможных коммерческих приложений различных открытий клеточной и молекулярной биологии.
Геномика – это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции биологических функций. Существует две ветви этого направления: структурная геномика и функциональная геномика.
занимается созданием и сравнением различных типов геномных карт и крупномасштабным секвенированием ДНК. Проект по изучению человеческого генома (Human Genome Project) и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики. Кроме картирования и секвенирования геномов, в задачи структурной геномики входят идентификация, локализация и составление характеристик генов.
В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике были созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в самых разнообразных промышленных процессах. Кроме того, весной 2003 года был завершен Проект по изучению генома человека, черновые варианты которого были готовы уже к 2000 году. Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы способны расшифровывать генетическую информацию других организмов и осуществлять заложенные в ней биологические функции, любой ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может быть использован в широком спектре практических приложений.
Знание полной или частичной последовательности нуклеотидов определенных генов служит для исследователей источником очень полезной информации, даже если тонкости функционирования генов остаются неизученными. Например, информация об отдельных генах и кодируемых ими белках может:
– помочь селекционерам не наугад, а целенаправленно изменять свойства растений и убеждаться в наличии желаемых признаков, не дожидаясь появления плодов (последнее особенно важно для селекции деревьев);
– использоваться для выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов, уникальных с биохимической точки зрения;
– применяться для идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов, контролируемых множеством генов, а также зависящих от влияния окружающей среды;
– применяться для обнаружения микробных заражений клеточных культур.
Секвенирование геномов, идентификация и картирование генов, несомненно, являются выдающимися достижениями, однако они представляют собой всего лишь первый этап геномной революции. Информация о нуклеотидной последовательности гена и его положении в геноме не имеют практического значения, если мы не знаем, какие функции выполняет ген, как осуществляется его регуляция и как его активность сказывается на других генах. Занимающееся этими вопросами исследовательское направление, известное как функциональная геномика, дает ученым возможность ориентироваться в сложных структурах генома изучаемого организма, постигать его закономерности и содержащуюся в нем информацию.
Исследования показали, что геномы млекопитающих содержат приблизительно одинаковое количество генов, которое в некоторых случаях даже меньше количества генов в геномах менее сложных, чем млекопитающие, организмов. Однако для понимания различий между видами основную роль играет не знание количества генов, а понимание того, как они различаются по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах, которые и лежат в основе различий организмов.
Эволюционный анализ постепенно становиться основным приемом выяснения функций и взаимодействий генов в пределах генома. Молекулярные эволюционисты пользуются методами сравнительной геномики и биоинформатики для анализа количества мутаций, которые последовательности нуклеотидов в ДНК претерпевают в процессе эволюции. Полученные данные позволяют исследователям идентифицировать функционально важные области генов и создавать молекулярную временнУю шкалу видовой эволюции.
Плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster) давно является признанной моделью для изучения закономерностей наследования генов. К достоинствам дрозофилы относятся ее неприхотливость, доступность и короткий цикл развития. В результате огромного количества исследований, в которых объектом изучения были дрозофилы, получена масса полезной информации, которая в настоящее время доступна научной общественности. Так, например, исследователи Центра эволюционной функциональной геномики (Center for Evolutionary Functional Genomics) Аризонского института биодизайна (Arizona Biodesign Institute) создали информационную базу “FlyExpress”, основанную на интернет-технологиях и использующую современные приемы обработки изображений и информации, которая позволяет ученым быстро анализировать экспрессию генов дрозофилы по изображению эмбрионов.
Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.
Мощные биотехнологические методы исследований обеспечили высокую скорость развития биологии как фундаментальной науки. С их помощью ученые расчленяют клеточные и генетические процессы на мельчайшие фрагменты, что позволяет получать представление о биологических системах на самом тонком молекулярном уровне. Но живые организмы не функционируют как набор отдельных фрагментов, поэтому единственный способ понять, что действительно происходит внутри живого организма, – это найти каждому мельчайшему фрагменту место в одной или нескольких из огромного множества взаимодействующих между собой систем, образующих организм.
Необходимость объединения всех отдельных открытий в одну общую картину дала начало целому ряду научных направлений. Геномика, протеомика, метаболомика, иммуномика, транскриптомика – новые биологические науки, задача которых заключается в интегрировании информации, получаемой в результате различных исследований, в единую систему. Кроме биотехнологических приемов, важность которых не вызывает сомнений, для объединения разрозненных данных в единое целое необходимо активное использование современных информационных технологий.
Задача описанных ниже научных направлений заключается в выявлении возможных коммерческих приложений различных открытий клеточной и молекулярной биологии.
Геномика
Геномика – это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции биологических функций. Существует две ветви этого направления: структурная геномика и функциональная геномика.
Структурная геномика
занимается созданием и сравнением различных типов геномных карт и крупномасштабным секвенированием ДНК. Проект по изучению человеческого генома (Human Genome Project) и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики. Кроме картирования и секвенирования геномов, в задачи структурной геномики входят идентификация, локализация и составление характеристик генов.
В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике были созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в самых разнообразных промышленных процессах. Кроме того, весной 2003 года был завершен Проект по изучению генома человека, черновые варианты которого были готовы уже к 2000 году. Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы способны расшифровывать генетическую информацию других организмов и осуществлять заложенные в ней биологические функции, любой ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может быть использован в широком спектре практических приложений.
Знание полной или частичной последовательности нуклеотидов определенных генов служит для исследователей источником очень полезной информации, даже если тонкости функционирования генов остаются неизученными. Например, информация об отдельных генах и кодируемых ими белках может:
– помочь селекционерам не наугад, а целенаправленно изменять свойства растений и убеждаться в наличии желаемых признаков, не дожидаясь появления плодов (последнее особенно важно для селекции деревьев);
– использоваться для выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов, уникальных с биохимической точки зрения;
– применяться для идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов, контролируемых множеством генов, а также зависящих от влияния окружающей среды;
– применяться для обнаружения микробных заражений клеточных культур.
Функциональная геномика
Секвенирование геномов, идентификация и картирование генов, несомненно, являются выдающимися достижениями, однако они представляют собой всего лишь первый этап геномной революции. Информация о нуклеотидной последовательности гена и его положении в геноме не имеют практического значения, если мы не знаем, какие функции выполняет ген, как осуществляется его регуляция и как его активность сказывается на других генах. Занимающееся этими вопросами исследовательское направление, известное как функциональная геномика, дает ученым возможность ориентироваться в сложных структурах генома изучаемого организма, постигать его закономерности и содержащуюся в нем информацию.
Исследования показали, что геномы млекопитающих содержат приблизительно одинаковое количество генов, которое в некоторых случаях даже меньше количества генов в геномах менее сложных, чем млекопитающие, организмов. Однако для понимания различий между видами основную роль играет не знание количества генов, а понимание того, как они различаются по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах, которые и лежат в основе различий организмов.
Эволюционный анализ постепенно становиться основным приемом выяснения функций и взаимодействий генов в пределах генома. Молекулярные эволюционисты пользуются методами сравнительной геномики и биоинформатики для анализа количества мутаций, которые последовательности нуклеотидов в ДНК претерпевают в процессе эволюции. Полученные данные позволяют исследователям идентифицировать функционально важные области генов и создавать молекулярную временнУю шкалу видовой эволюции.
Плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster) давно является признанной моделью для изучения закономерностей наследования генов. К достоинствам дрозофилы относятся ее неприхотливость, доступность и короткий цикл развития. В результате огромного количества исследований, в которых объектом изучения были дрозофилы, получена масса полезной информации, которая в настоящее время доступна научной общественности. Так, например, исследователи Центра эволюционной функциональной геномики (Center for Evolutionary Functional Genomics) Аризонского института биодизайна (Arizona Biodesign Institute) создали информационную базу “FlyExpress”, основанную на интернет-технологиях и использующую современные приемы обработки изображений и информации, которая позволяет ученым быстро анализировать экспрессию генов дрозофилы по изображению эмбрионов.
Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
