ინფორმაცია

თესლში გენომში თვითგამრავლება

თესლში გენომში თვითგამრავლება


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.

გამორთულია თუ არა მცენარის თესლში გენომი? ანუ თესლში არსებული დნმ არ იმეორებს თავის თავს? ჩემი მეორე შეკითხვაა, რითი იკვებება უჯრედები თესლის შიგნით მის დარგვამდე?


ზოგადად უჯრედებში დნმ იმეორებს, როდესაც ხდება უჯრედის გაყოფა (თუ ეს არ არის უჯრედი, რომელიც შეიცავს ბევრ ბირთვს ან საკუთარი გენომის მრავალ ასლს, ამ შემთხვევაში დნმ გამრავლდება ასლების მიღებისას. მრავალბირთვიანი უჯრედები მოიცავს სოკოების მიცელიუმს და აქ არის ბაქტერიის მაგალითი საკუთარი გენომის ათასობით ასლით).

სანამ მცენარის ემბრიონი ვითარდება, უჯრედები იყოფა და დნმ მრავლდება. შეიძლება ფიქრობთ თესლის მიძინების სტადიაზე; რამდენადაც ამ ეტაპზე ემბრიონი აღარ იზრდება, უჯრედები არ იყოფა და ამიტომ დნმ ნამდვილად არ მრავლდება. არ ვიცი, შეგვიძლია თუ არა ვთქვათ, რომ გენომი "გამორთულია", თუმცა, დნმ-ის როლი არ არის მხოლოდ რეპლიკაცია, უფრო მნიშვნელოვანია მისი როლი ტრანსკრიბირება რნმ-ში, რაც იწვევს უჯრედის ფუნქციონირებისთვის საჭირო ცილებს. მე ვერ ვიპოვე, ხდება თუ არა დნმ-ის ტრანსკრიფცია უჯრედების მიძინების დროს, მაგრამ საკმარისად დამაჯერებელია, რომ ის მაინც შენელებულია. უჯრედებს, სავარაუდოდ, ამ პერიოდის განმავლობაში ბევრი საქმე არ აქვთ და არ გინდათ, რომ მათ ბევრი გააკეთონ, ენერგიის დაზოგვის მიზნით.

თესლი შეიცავს საკვებ ნივთიერებებს, რომლებსაც შეუძლიათ ემბრიონის გამოკვება მანამ, სანამ ის საკუთარ თავს არ იკვებება (მცენარეებისთვის ეს არის მომენტი, როდესაც ისინი საკმარისად გაღივდებიან ფოტოსინთეზისთვის). სწორედ აქედან მოდის ფქვილი!


თვითგამრავლება და თვითრეპროდუქცია

როდესაც საგანი არის თვითრეპლიკაცია, ცხოვრებისა და ბუნების ზოგად კონტექსტში, მაშინვე ვფიქრობთ დნმ-ზე. სინამდვილეში, ეს არის მამოძრავებელი ძალა მარადიული ნაკადისთვის ერთი თაობიდან მეორეში - ვარდები, სპილოები ან მიკრობები - და ასევე, თავად რეპლიკაციის მექანიზმში არსებული დარღვევებისა და შეცდომების გამო, სიცოცხლის ახალი და ახალი ფორმების ფორმირება. სახეობა - სიცოცხლის ხემდე, რომელიც დღეს ვიცით.

უარი პასუხისმგებლობაზე, როგორც აღვნიშნეთ ამ პირველი ნაწილის სათაურში, მნიშვნელოვანია და იმის გამო, რომ ყველაზე გავრცელებული მკითხველი, მაგრამ ასევე უბრალო მოაზროვნე მეცნიერები, ფიქრობენ, რომ დნმ-ს ნამდვილად შეუძლია თვითრეპლიკაცია მარტო. მარტო დნმ არაფერს არ აკეთებს. თუ თქვენ გაქვთ დნმ ხსნარში და უზრუნველყოფთ ყველა შესაძლო დაბალმოლეკულური წონის საკვებ ნივთიერებებს, მარილებს, მონონუკლეოტიდებს (ნუკლეინის მჟავების მონომერები) - არაფერი ხდება, არ არის რეპროდუქცია, საერთოდ არ არის ქიმია. დნმ-ს შეუძლია გამოიწვიოს თვითრეპროდუქცია მხოლოდ ფერმენტების ოჯახის დახმარებით, რომლებიც სპეციფიკური პროტეინებია, რომლებიც კატალიზებენ თვითრეპლიკაციის მექანიზმის ყველა სხვადასხვა და რამდენიმე საფეხურს. ამ სამყაროს მთელი თვითგამრავლებადი დნმ [1] მზადდება ცოცხალი უჯრედების მიერ, ან შეიძლება გაკეთდეს ინ ვიტრო, მაგრამ ყოველთვის და მხოლოდ ცილების ამ კონკრეტული ოჯახის დახმარებით - და რა თქმა უნდა, ნუკლეოტიდების ჭარბი თანდასწრებით. და ენერგიის მატარებელი მოლეკულები, როგორიცაა ATP (ადენოზინტრიფოსფატი). დასკვნა ის არის, რომ დნმ-ის თვითრეპლიკაცია რთული მექანიზმია.

ახლა ეს ყველაფერი აშკარაა ყველასთვის, ვინც გავლილი აქვს ბიოქიმიის საბაზისო კურსი, თუნდაც ბაკალავრიატის დონეზე. მაგრამ ადამიანთა უმრავლესობაში კოლექტიურ აზროვნებაში დომინანტურია მოსაზრება, რომ დნმ არის ყველა რეპროდუქციის ერთადერთი გმირი. ეს დაკავშირებულია მეცნიერების ზოგად უცოდინრობასთან, მაგრამ ასევე საინტერესო სოციალური ფენომენია. როგორც ხაზგასმით აღნიშნა ეველინ ფოქს-კელერმა თავის ცნობილ წიგნში, გენის საუკუნედა ამ ბოლო პერიოდში კიდევ რამდენიმე ღია მეცნიერის მიერ, ჩვენ ვცხოვრობთ სამყაროში, სადაც დომინირებს გენის, გენომის, გენეტიკური ინჟინერიის ცნებები, სამყაროში, სადაც დნმ მართლაც მთავარი გმირი გახდა. იქამდე, რომ კვლევითი ბიოლოგიის ბევრ ბანაკში - პირველ რიგში სიცოცხლის წარმოშობის სფეროში - არსებობს სამწუხარო განტოლება დნმ = სიცოცხლე. თითქოს სიცოცხლე მხოლოდ დნმ-ით ან ძირითადად დნმ-ით იყოს გამოწვეული ან გამოწვეული.

პირადად მე მჯერა, რომ ამ განტოლებას სჭირდება კიდევ ერთი მტკიცე უარი პასუხისმგებლობაზე, და რომ რეალურად ეს განტოლება ძალიან დამღუპველი იყო კითხვაზე "რა არის სიცოცხლე?" და/ან დამატებითი კითხვა "რა არის სიცოცხლის წარმოშობა?"

ჩვენ საქმე გვაქვს რედუქციონისტულ, ძალიან შეზღუდულ შეხედულებასთან და მე მქონდა ამის შესაძლებლობა დეტალურად განმეხილა ჩემს ბოლო წიგნში. სიცოცხლის გაჩენა. და ხაზგასმით აღინიშნა, რომ სიცოცხლე და/ან მისი წარმოშობა არ შეიძლება მიეწეროს ერთ მოლეკულას - ეს არის ფაქტობრივად სისტემური ხედვა, სადაც ბევრი დამოუკიდებელი კომპონენტი უნდა ურთიერთქმედდეს ერთმანეთთან, რათა წარმოქმნას ქსელი, მთლიანობა. გაჩენილი საკუთრება, რომელსაც ჩვენ სიცოცხლეს ვუწოდებთ (იხ. მაგალითად კაპრა და ლუისი, 2014, ან ნობლი, 2006).

თვითგამრავლება და თვითრეპროდუქცია

არ არის ის, რომ მან, ზემოთ ხსენებულმა უარი თქვას დნმ-ის, ან რნმ-ის არაჩვეულებრივი სილამაზისა და მოლეკულური ძალისგან. დნმ-ს არ შეუძლია დამოუკიდებლად რეპროდუცირება, მაგრამ არის ერთადერთი მოლეკულური სტრუქტურა, რომელსაც აქვს ხაზოვანი სახით კოდირებული ინფორმაცია საკუთარი თავის რეპროდუცირებისთვის არა მხოლოდ, რადგან მის ხაზოვან სტრუქტურაში მას ასევე აქვს ინფორმაცია ცილების აგების შესახებ - ორი დამატებითი ფუნქცია, რომელიც რა თქმა უნდა, დრამატული მნიშვნელობა აქვს ყველა ცოცხალი ორგანიზმისთვის.

მოდით გავაგრძელოთ წესრიგი, დავიწყოთ სემანტიკური შენიშვნით ორი ტერმინის შესახებ, თვითგამრავლება და თვითრეპროდუქცია. მიუხედავად იმისა, რომ ხშირად სინონიმად განიხილება, სინამდვილეში განსხვავებაა. თვითრეპლიკაცია (სიტყვა მოდის ლათინური ტერმინიდან, რეპლიკა) ნიშნავს ერთგულ მოლეკულურ ასლს, ხოლო თვითრეპროდუქცია უფრო მეტად ეხება მსგავსი ნივთების დამზადების სტატისტიკურ პროცესს. ამრიგად, უჯრედები თვითრეპროდუცირდებიან, ხოლო მოლეკულები თვითრეპროდუცირდებიან. ეს არ არის უბრალოდ სემანტიკური საკითხი, რადგან დაისონის (1985) მიხედვით, თვითრეპროდუქციის პროცესები, როგორც ნაკლებად ზუსტი, შეიძლება პირველად დაიწყო ადრეულ ევოლუციაში და წინ უძღოდა თვითრეპლიკაციის პროცესებს, რომლებიც საჭიროებენ უფრო რთულ კონტროლს და რედაქტირებას.

თვითრეპლიკაცია და არაწრფივი

დნმ-ის ორჯაჭვიანი ბუნება (იხ. სურათი 1) აღმოაჩინეს უოტსონმა და კრიკმა 1953 წელს, რაც ნამდვილად დასამახსოვრებელი წელი იყო ბიოლოგიისთვის. არსებობს ოთხი განსხვავებული ნუკლეოტიდი, რომელიც ქმნის დნმ-ს, ცნობილი ფუძეები ადენინი (A), გუანინი (G), თიმინი (T) და ციტოზინი (C), რომლის დროსაც დნმ-ის ორი მარჯვენა ჯაჭვი ერთად ინახება ე.წ. ორი ფუძის წყვილი, A T-ით, C და G, როგორც უფრო ნათლად ჩანს სურათი 2-დან. ეს კომპლემენტარულობა არის ყველაზე ჭკვიანური მოწყობილობა თვითგამრავლებისთვის, იმ გაგებით, რომ თითოეული ორი ჯაჭვი შეიცავს ინფორმაციას ამზადებისთვის. დამატებითი ერთი. დავუშვათ, რომ რეალურად „დაკარგავთ“ ორი ღერიდან ერთ-ერთს - თქვენ მხოლოდ ერთი დაგრჩათ! მაგრამ თქვენ შეგიძლიათ მაშინვე აღადგინოთ დაკარგული, დაყენებით T-ის დაყენებით თქვენი ჯაჭვის A-ის პირისპირ, შემდეგ C-ის G-ისკენ და ა.შ. .

ნახატები 3 და 4 ასახავს დნმ-ის რეპლიკაციის ცნობილ ნახევრად კონსერვატიულ მექანიზმს, რომელიც წარმოადგენს მეიოზისა და მიტოზის პროცესების საფუძველს უჯრედების რეპროდუქციაში. ეს პროცესი, როგორც ტექსტშია აღნიშნული, მიმდინარეობს რამდენიმე სპეციალიზებული ფერმენტული ცილის დახმარებით. აქ, ნახევრად კონსერვატიული ნიშნავს, რომ ორმაგი ჯაჭვის მთავარი მოლეკულა იყოფა ორად და ყოველი ძველი ჯაჭვი ქმნის ახალ ორჯაჭვიან ძაფს ახალი მასალისგან. ასე რომ, თუ მშობელი სტრიქონი როგორმე იქნება მარკირებული, ეს ეტიკეტი განზავდება დუბლირების ყოველ საფეხურზე ნახევარით.

ახლა კი დააკვირდით ამ პროცესში ყველაზე მნიშვნელოვან მახასიათებელს: არაწრფივობას. Რას ნიშნავს ეს? წრფივი ზრდის პროცესი არის ასეთი ტიპის: 1, 2, 3, 4, 5… მაგრამ დნმ იზრდება 1, 2, 4, 8, 16, 32… იმისათვის, რომ გაიგოთ ამ განსხვავების დრამატული მნიშვნელობა, განვიხილოთ ქიმიური პროცესი, რომელიც ქმნის A. →B ერთ წამში – შემდეგ B-დან ერთი მილიონის შესაქმნელად დაგჭირდებათ ერთი მილიონი წამი. მაგრამ თუ თქვენ გაქვთ B→2B→4B→8B→16B…, ერთი მილიონი B-ის შესაქმნელად დაგჭირდებათ მხოლოდ 20 წამი. ეს წარმოუდგენელია, არა?

თვითრეპროდუქციის შემთხვევა

ჩვენ აქამდე ვსაუბრობდით დნმ-ის თვითრეპლიკაციაზე, რომელიც წრფივი პოლიმერია. არის თუ არა მაგალითები ფიჭური სტრუქტურების მოდელების შემთხვევაში? პასუხი არის დიახ, მიცელებით და ვეზიკულებით. უფრო დეტალურად გავიხსენოთ მიცელარული წყლის სისტემების შემთხვევა. ქიმია ეფუძნება ცხიმოვან მჟავებს, იხილეთ სურათი 5, დამატებითი დაკვირვებით, რომ ცხიმოვანი მჟავები განიხილება პირველი პრებიოტიკური მემბრანების შესაძლო კანდიდატებად. ექსპერიმენტული აპარატი განსაკუთრებით მარტივია (იხ. სურათი 6), ასევე შეხსენება შესაძლო პრებიოტიკური სიტუაციის შესახებ: წყალში უხსნადი ეთილის კაპრილატი (წყალში უხსნადი მარტივი ესტერი) გადახურულია წყალტუტე ხსნარზე, ისე, რომ მაკროსკოპულ ინტერფაზაში იქ არის ჰიდროლიზის რეაქცია, რომელიც წარმოქმნის კაპრილატის იონებს. რეაქცია თავდაპირველად ძალიან ნელია, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 6, მაგრამ საბოლოოდ მიცელების კრიტიკული კონცენტრაცია (კერძოდ, კონცენტრაცია, რომლითაც მიცელები იწყებენ ხსნარში ფორმირებას) მიიღწევა და შემდეგ კაპრილატის მიცელები სწრაფად წარმოიქმნება.

წყლიანი მიცელი რეალურად შეიძლება ჩაითვალოს ლიპოფილურ სფერულ ზედაპირებად და მთავარი მიზეზი, რის გამოც საპონი აშორებს ცხიმს ხელიდან, მდგომარეობს იმაში, რომ ცხიმი ეფექტურად არის შერწყმული საპნის მიცელების ლიპოფილურ ბირთვში. იგივე მექანიზმით, ლიპოფილური ეთილის კაპრილატი (EC) ძლიერად შეიწოვება კაპრილატის მიცელებით. EC-ის ეფექტური მოლეკულური დისპერსია მიცელარული ზედაპირზე აჩქარებს მის ჰიდროლიზს (ერთგვარი ფიზიკური მიცელარული კატალიზი) და კაპრილატის იონები სწრაფად წარმოიქმნება. შედეგი არის მეტი მიცელის წარმოქმნა, როგორც ილუსტრირებულია სურათზე 6. თუმცა, უფრო მეტი მიცელი განსაზღვრავს წყალში უხსნადი EC-ის მეტ შეწოვას, უფრო და უფრო მეტი მიცელის წარმოქმნით: ტიპიური ავტოკატალიტიკური ქცევა (Bachmann et al., 1992). ).

მომდევნო წლებში ამ ტიპის თვითრეპროდუქციის ექსპერიმენტი გავრცელდა ვეზიკულებზე. კიდევ ერთხელ ხაზგასმით აღვნიშნოთ, რომ მიცელებისა და ვეზიკულების თვითრეპროდუქციის მექანიზმი შეიძლება ჩაითვალოს აუტოპოეტურად (იხ. ლუისი, 2016), რადგან ზრდა და საბოლოოდ დაყოფა თავად სტრუქტურის შიგნიდან მოდის (ვეზიკულებში საწყისი რეაქცია ხდება ორშრალზე, მაგრამ ორფენი სტრუქტურის ნაწილია).

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს ამ ექსპერიმენტების მთავარი გზავნილი, რომელიც არის სფერული კუპეების სპონტანური თვითრეპროდუქციის შესაძლებლობა. ვინაიდან ისინი შეიძლება ჩაითვალოს ბიოლოგიური უჯრედების მოდელებად და/ან წინამორბედებად, წამოაყენეს ჰიპოთეზა (Bachmann et al., 1992), რომ ეს ავტოკატალიტიკური თვითრეპროდუქციის პროცესი შესაძლოა მნიშვნელოვანი ყოფილიყო სიცოცხლის წარმოშობისთვის.

დასკვნა

როგორც ხაზგასმით აღვნიშნეთ, დნმ არ იმეორებს მარტოობისას და ქიმიკოსები, განსაკუთრებით ისინი, რომლებიც სწავლობენ სიცოცხლის წარმოშობას, რამდენიმე ათეული წლის განმავლობაში ცდილობდნენ მიბაძონ ლაბორატორიაში თვითრეპლიკაციის პროცესები ფერმენტების გამოყენების გარეშე. ამ კუთხით ზოგადად ორი რამ უნდა ითქვას: დიახ, ქიმიკოსებმა მოახერხეს ლაბორატორიაში თვითგამრავლებისა და თვითრეპროდუქციის პროცესების წარმოება ფერმენტების გამოყენების გარეშე, თუმცა, ეს არ არის პროცესები, რომლებიც სპონტანურად ხდება პრებიოტიკის პირობებში, მათ აქვთ. ამოქმედდა შესაბამისი რეაქტიული ჯგუფების გამოყენების წყალობით (ნუკლეოფილები, გამსვლელი ჯგუფები და ა.შ.. აქ დეტალებს ვერ შევეხებით).
ამრიგად, ერთის მხრივ, თვითგამრავლების ცნება, რომელიც ბუნების მონოპოლიად იყო მიჩნეული, ახლა ქიმიის ლაბორატორიის ვიწრო სივრცეშია და ეს, რა თქმა უნდა, გასაოცარ პროგრესად უნდა ჩაითვალოს. თუმცა, ზოგადად, სიცოცხლის წარმოშობა მეცნიერებისთვის ჯერ კიდევ გადაუჭრელი საკითხია და პრებიოტიკური თვითრეპლიკაცია ამ უფრო დიდი პრობლემის ერთ-ერთი ასპექტია.

ცნობები
Bachmann, P. A., Luisi, P. L., and Lang, J. (1992). მიცელების ავტოკატალიტიკური თვითრეპლიკაცია, როგორც პრებიოტიკური სტრუქტურების მოდელები. Ბუნება, 357, 57-9.
Capra, F., and Luisi, P. L. (2014). სისტემური ხედი ცხოვრებაზე: გამაერთიანებელი ხედვა. კემბრიჯის უნივერსიტეტის გამოცემა.
Dyson, F. J. (1985). სიცოცხლის წარმოშობა. კემბრიჯის უნივერსიტეტის გამოცემა.
Fox-Keller, E. (2002). გენის საუკუნე, ჰარვარდის უნივერსიტეტის გამომცემლობა.
Landenmark, H. K. E., Forgan, D. H., and Cockell, C. S. (2015). ბიოსფეროში მთლიანი დნმ-ის შეფასება. PLoS Biol, 13(6): e1002168. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002168.
Luisi, P. L. (2016). სიცოცხლის გაჩენა: ქიმიური წარმოშობიდან სინთეზურ ბიოლოგიამდე. 2nd Edn., Cambridge University Press.
Noble, D. (2006). სიცოცხლის მუსიკა. ოქსფორდის უნივერსიტეტის გამომცემლობა. Von Neumann, J., რედაქტირებულია და დაასრულა Burks, A. W. (1966). თვითრეპროდუცირებადი ავტომატების თეორიაილინოისის უნივერსიტეტის პრესა.

[1] სხვათა შორის, თქვენ სცადეთ გამოთვალოთ რამდენი დნმ გვაქვს ჩვენს სამყაროში? Რას ფიქრობ? რამდენიმე გრამი… ან შესაძლოა მილიარდობით ტონა?
მოდით გამოვთვალოთ იმის გათვალისწინებით, რომ თითოეული ადამიანის სხეული შედგება 15-30 ტრილიონი უჯრედისაგან და რომ თითოეული უჯრედი (გარდა მწიფე ერითროციტებისა) შეიცავს დაახლ. 6 პგ (იგულისხმება პიკოგრამი) დნმ. ახლა განვიხილოთ დედამიწაზე მცხოვრები ყველა ადამიანი - მაგრამ ასევე ყველა სხვა სახეობა, მათ შორის მცენარეები, ბაქტერიები და დნმ ვირუსები - ბიომასა, რომელიც არის დაახლოებით 2 × 1012 ტონა. მაშინ რამდენი დნმ?
ჩარლზ კოკელის ხელმძღვანელმა კვლევითმა ჯგუფმა გამოთვალა, რომ ბიოსფეროში არსებული მთლიანი დნმ არის დაახლოებით. 50 მილიარდი ტონა. გასათვალისწინებელია, რომ ამ წონის 98%-ზე მეტი განპირობებულია მცენარეებით (68%) და ბაქტერიებით (30.2%) და მხოლოდ უმნიშვნელო ფორმით ცხოველებთან (0.8%) და სხვა ცოცხალ ორგანიზმებთან (Landenmark et al., 2015).


თესლის ბუნება

ტიპიურ აყვავებულ მცენარეში, ან ანგიოსპერმში, თესლი წარმოიქმნება სხეულებისგან, რომელსაც ეწოდება კვერცხუჯრედები, რომლებიც შეიცავს საკვერცხეში, ან ქალის მცენარის სტრუქტურის ბაზალურ ნაწილში, ბუშტუკში. მომწიფებული კვერცხუჯრედი თავის ცენტრალურ ნაწილში შეიცავს რეგიონს, რომელსაც ეწოდება ნუცელუსი, რომელიც თავის მხრივ შეიცავს ემბრიონის ტომარას რვა ბირთვით, თითოეულში ქრომოსომების ერთი ნაკრები (ანუ ისინი ჰაპლოიდური ბირთვებია). ცენტრთან ახლოს მდებარე ორ ბირთვს მოიხსენიებენ, როგორც პოლარულ ბირთვს, კვერცხუჯრედი, ანუ ოოსფერო, მდებარეობს კვერცხუჯრედის მიკროპილარული ("ღია") ბოლოსთან ახლოს.

ძალიან მცირე გამონაკლისების გარდა (მაგალითად, დენდელიონი), კვერცხუჯრედის თესლად განვითარება დამოკიდებულია განაყოფიერებაზე, რაც თავის მხრივ მოჰყვება დამტვერვას. მტვრის მარცვლები, რომლებიც ეშვება ღორღის მიმღებ ზედა ზედაპირზე (სტიგმაზე) აღმოცენდება, თუ ისინი ერთი და იგივე სახეობის არიან და წარმოქმნიან მტვრის მილებს, რომელთაგან თითოეული იზრდება ქვევით (ბსტილის ზედა ნაწილი) კვერცხუჯრედისკენ. . მტვრის მილს აქვს სამი ჰაპლოიდური ბირთვი, ერთ-ერთი მათგანი, ეგრეთ წოდებული ვეგეტატიური, ანუ მილის ბირთვი, როგორც ჩანს, ხელმძღვანელობს მზარდი სტრუქტურის ოპერაციებს. დანარჩენი ორი, გენერაციული ბირთვი, შეიძლება მივიჩნიოთ როგორც არამოძრავი სპერმის უჯრედები. კვერცხუჯრედში მიღწევისა და მტვრის მილის წვერის ამოღების შემდეგ, ერთი გენერაციული ბირთვი აერთიანებს კვერცხუჯრედს დიპლოიდური ზიგოტის შესაქმნელად (ანუ განაყოფიერებული კვერცხუჯრედი ქრომოსომების ორი სრული კომპლექტით, თითო თითოეული მშობლისგან). ზიგოტა გადის შეზღუდული რაოდენობის დაყოფას და წარმოშობს ემბრიონს. სხვა გენერაციული ბირთვი ერწყმის ორ პოლარულ ბირთვს და წარმოქმნის ტრიპლოიდურ (ქრომოსომების სამი კომპლექტი) ბირთვს, რომელიც განმეორებით იყოფა უჯრედის კედლის ფორმირებამდე. ამ პროცესის შედეგად წარმოიქმნება ტრიპლოიდური ენდოსპერმა, მკვებავი ქსოვილი, რომელიც შეიცავს სხვადასხვა შესანახ მასალებს - როგორიცაა სახამებელი, შაქარი, ცხიმები, ცილები, ჰემიცელულოზები და ფიტატი (ფოსფატის რეზერვი).

ახლახან აღწერილი მოვლენები წარმოადგენს ორმაგ განაყოფიერების პროცესს, ყველა აყვავებული მცენარის ერთ-ერთ დამახასიათებელ მახასიათებელს. ორქიდეებში და ზოგიერთ სხვა მცენარეში წვრილი თესლებით, რომლებიც არ შეიცავს სარეზერვო მასალებს, ენდოსპერმის წარმოქმნა მთლიანად ჩახშობილია. სხვა შემთხვევებში ის მნიშვნელოვნად მცირდება, მაგრამ სარეზერვო მასალები სხვაგან არის - მაგ., ემბრიონის კოტილედონებში ან თესლის ფოთლებში, ლობიოში, სალათის ფოთლებში და არაქიში, ან ბირთვიდან მიღებულ ქსოვილში, პერისპერმაში. როგორც ყავაში. სხვა თესლები, როგორიცაა ჭარხალი, შეიცავს როგორც პერისპერმას, ასევე ენდოსპერმას. სათესლე გარსი, ანუ ტესტა, წარმოიქმნება კვერცხუჯრედის ერთი ან ორი დამცავი ქსოვილისგან. საკვერცხე, უმარტივეს შემთხვევაში, ნაყოფად ვითარდება. ბევრ მცენარეში, როგორიცაა ბალახი და სალათის ფოთოლი, გარე ნაწილი და საკვერცხის კედელი მთლიანად შერწყმულია, ამიტომ თესლი და ნაყოფი ერთ არსებას ქმნიან, ასეთი თესლი და ხილი ლოგიკურად შეიძლება ერთად აღვწეროთ, როგორც „დისპერსიული ერთეულები“ ​​ან დიასპორები. თუმცა, უფრო ხშირად, თესლი არის დისკრეტული ერთეულები, რომლებიც მიმაგრებულია პლაცენტასთან ნაყოფის კედლის შიგნით ღეროს ან ფუნიკულის მეშვეობით.

გათავისუფლებული თესლის ბორცვი არის პატარა ნაწიბური, რომელიც აღნიშნავს მის ყოფილ მიმაგრების ადგილს. მოკლე ქედი (რაფე), რომელიც ხანდახან მიდის ბორცვიდან, წარმოიქმნება თესლის ღეროსა და ტესტას შერწყმის შედეგად. ბევრ თესლში, კვერცხუჯრედის მიკროპილი ასევე რჩება თესლის გარსში მცირე ხვრელის სახით. ემბრიონი, რომელიც განსხვავებულად მდებარეობს თესლში, შეიძლება იყოს ძალიან პატარა (როგორც პეპლებში) ან შეიძლება აავსოს თესლი თითქმის მთლიანად (როგორც ვარდებსა და მდოგვის ოჯახის მცენარეებში). იგი შედგება ფესვის ნაწილისგან ან ძირისაგან, პერსპექტიული ყლორტისგან (ბარტყელი ან ეპიკოტილი), ერთი ან მეტი კოტილედონი (ერთი ან ორი ყვავილოვან მცენარეებში, რამდენიმე ფიჭვი და სხვა გიმნოსპერმები) და ჰიპოკოტილი, რომელიც არის რეგიონი, რომელიც აკავშირებს რადიკულსა და ბუმბულს. თესლების კლასიფიკაცია შეიძლება დაფუძნდეს ემბრიონის ზომასა და პოზიციაზე და ემბრიონის პროპორციაზე შესანახ ქსოვილთან, ერთი ან ორი კოტილედონის ქონა გადამწყვეტია აყვავებული მცენარეების ორი ძირითადი ჯგუფის, მონოკოტილედონებისა და ევდიკოტილედონების ამოცნობაში.


ინფორმაციის შემცველი ნანომასშტაბიანი შაბლონების თვითრეპლიკაცია

დნმ-ის მოლეკულები იძლევა თვითრეპლიკაციის ალბათ ყველაზე საკულტო მაგალითს - სისტემის უნარს, გაიმეოროს ან გააკეთოს ასლები. ცოცხალ უჯრედებში პროცესი ხდება ფერმენტების შუამავლობით და ხდება ავტონომიურად, დროთა განმავლობაში რეპლიკების რაოდენობა ექსპონენტურად იზრდება გარე მანიპულაციის საჭიროების გარეშე. თვითრეპლიკაცია ასევე განხორციელდა სინთეზური სისტემებით, მათ შორის რნმ ფერმენტებით, რომლებიც შექმნილია თვითშენარჩუნებული ექსპონენციალური გაძლიერებისთვის. შემდეგი საინტერესო ნაბიჯი იქნება მასალების წარმოებაში თვითრეპლიკაციის გამოყენება, რაც მოითხოვს მყარ და ზოგად სისტემებს, რომლებსაც შეუძლიათ ფუნქციური მასალების ან სტრუქტურების კოპირება და გაძლიერება. აქ ჩვენ ვახსენებთ პირველ განვითარებას ამ მიმართულებით, დნმ-ის ფილების მოტივების გამოყენებით, რომლებსაც შეუძლიათ დამატებითი ფილების ამოცნობა და დაკავშირება წინასწარ დაპროგრამებული ფორმით. ჩვენ ჯერ ვქმნით კრამიტის მოტივებს ისე, რომ ისინი ქმნიან შვიდ კრამიტის თესლის თანმიმდევრობას, შემდეგ ვიყენებთ თესლებს, რათა დავავალოთ პირველი თაობის დამატებითი შვიდი კრამიტიანი ქალიშვილის თანმიმდევრობების ფორმირება და ბოლოს ვიყენებთ ქალიშვილებს შვიდი კრამიტიანი შვილიშვილების თანმიმდევრობის ფორმირებისთვის. იდენტურია საწყისი თესლის თანმიმდევრობისა. იმის გათვალისწინებით, რომ დნმ არის ფუნქციური მასალა, რომელსაც შეუძლია მოაწყოს საკუთარი თავი და სხვა მოლეკულები სასარგებლო სტრუქტურებად, ჩვენი აღმოჩენები აჩენს საოცარ პერსპექტივას, რომ ერთ დღეს ჩვენ შევძლებთ გავაცნობიეროთ თვითგანმეორებადი მასალები სხვადასხვა შაბლონებით ან სასარგებლო ფუნქციებით.


თვითრეპლიკაციის პროცესი გვპირდება ახალი მასალების წარმოებას

ნიუ-იორკის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა შეიმუშავეს ხელოვნური სტრუქტურები, რომლებსაც შეუძლიათ თვითგანმეორება, პროცესი, რომელსაც აქვს ახალი ტიპის მასალების მიღების პოტენციალი. NYU-ის ქიმიისა და ფიზიკის დეპარტამენტებისა და რბილი მატერიის კვლევის ცენტრის მკვლევარების მიერ ჩატარებული ნაშრომი ჟურნალის უახლეს ნომერშია ნაჩვენები. Ბუნება.

ბუნებრივ სამყაროში, თვითგამრავლება ყველგან არის გავრცელებული ყველა ცოცხალ არსებაში, მაგრამ ხელოვნური თვითრეპლიკაცია გაუგებარია. აღმოჩენა ბუნებაში ასახავს პირველ ნაბიჯებს თვითნებურად შემუშავებული თესლის ფართო სპექტრის თვითგანმეორების ზოგადი პროცესისკენ. თესლები მზადდება დნმ-ის ფილების მოტივებისგან, რომლებიც ემსახურებიან როგორც ასოებს, რომლებიც მოწყობილია კონკრეტული სიტყვის დასაწერად. რეპლიკაციის პროცესი ინარჩუნებს ასოების თანმიმდევრობას და თესლის ფორმას და, შესაბამისად, ინფორმაციას, რომელიც საჭიროა შემდგომი თაობების წარმოებისთვის.

ეს პროცესი ბევრს გვპირდება ახალი მასალების შექმნას. დნმ არის ძლიერი ფუნქციური ერთეული, რომელსაც შეუძლია საკუთარი თავის და სხვა მოლეკულების კომპლექსურ სტრუქტურებად ორგანიზება. ახლახან დნმ გამოიყენებოდა არაორგანული ნივთიერების ორგანიზებისთვის, როგორიცაა მეტალის ნაწილაკები. NYU მეცნიერების მიერ ამ ტიპის ასამბლეის ლაბორატორიაში ხელახლა შექმნა აჩენს პერსპექტივას თვითგამრავლების მასალების საბოლოო განვითარებისთვის, რომლებსაც აქვთ შაბლონების ფართო სპექტრი და რომლებსაც შეუძლიათ სხვადასხვა ფუნქციების შესრულება. გარღვევა, რომელსაც NYU-ს მკვლევარებმა მიაღწიეს, არის სისტემის რეპლიკაცია, რომელიც შეიცავს კომპლექსურ ინფორმაციას. ამრიგად, ამ მასალის რეპლიკაცია, ისევე როგორც დნმ-ის უჯრედში, არ შემოიფარგლება მხოლოდ შაბლონების გამეორებით.

ამ თვითრეპლიკაციის პროცესის საჩვენებლად, NYU მეცნიერებმა შექმნეს ხელოვნური დნმ-ის ფილების მოტივები და დნმ-ის #151 მოკლე, ნანომეტრის მასშტაბის მოწყობა. თითოეული ფილა ემსახურება როგორც ასო—A ან B—, რომელიც ცნობს და აკავშირებს დამატებით ასოებს A' ან B'. ბუნებრივ სამყაროში, დნმ-ის რეპლიკაციის პროცესი მოიცავს დამატებით შეხამებას ბაზებსა და #151ადენინის (A) წყვილებს შორის თიმინთან (T) და გუანინის (G) წყვილებთან ციტოზინთან (C) - მისი ნაცნობი ორმაგი სპირალის ფორმირებისთვის. ამის საპირისპიროდ, NYU-ს მკვლევარებმა შეიმუშავეს ხელოვნური ფილა ან მოტივი, სახელწოდებით BTX (მოღუნული სამმაგი სპირალის მოლეკულები, რომლებიც შეიცავს სამ დნმ-ის ორმაგ სპირალს), თითოეული BTX მოლეკულა შედგებოდა დნმ-ის 10 ძაფისგან. დნმ-სგან განსხვავებით, BTX კოდი არ შემოიფარგლება მხოლოდ ოთხი ასოთი და პრინციპში, ის შეიძლება შეიცავდეს კვადრილიონობით სხვადასხვა ასოს და ფილას, რომლებიც წყვილდება ოთხი დნმ-ის ერთი ჯაჭვის ან „წებოვანი ბოლოების“ კომპლემენტარობის გამოყენებით თითოეულ ფილაზე, რათა შექმნან ექვსი. -ჰელიქსის შეკვრა.

იმისათვის, რომ მიაღწიოთ BTX ფილების მასივების თვითრეპლიკაციას, საჭიროა სათესლე სიტყვა, რათა მოხდეს იდენტური მასივების მრავალი თაობის კატალიზირება. BTX-ის თესლი შედგება შვიდი კრამიტისა და #151a შვიდასოიანი სიტყვისგან. თვითგამრავლების პროცესის განსახორციელებლად, თესლი მოთავსებულია ქიმიურ ხსნარში, სადაც ის აგროვებს დამატებით ფილებს, რათა შექმნას "ქალიშვილი BTX მასივი" და #151a დამატებითი სიტყვა. ასული მასივი შემდეგ გამოყოფილია თესლისგან ხსნარის გაცხელებით

40 oC. შემდეგ პროცესი მეორდება. ქალიშვილი მასივი უკავშირდება მის დამატებით ფილებს და ქმნის "შვილიშვილის მასივს", რითაც მიიღწევა მასალისა და ინფორმაციის თვითგანმეორება თესლში— და, შესაბამისად, რეპროდუცირებს თანმიმდევრობას თავდაპირველი სათესლე სიტყვის შიგნით. მნიშვნელოვანია, რომ ეს პროცესი განსხვავდება რეპლიკაციის პროცესებისგან, რომლებიც ხდება უჯრედში, რადგან მის განხორციელებაში არ გამოიყენება ბიოლოგიური კომპონენტები, განსაკუთრებით ფერმენტები და დნმ სინთეზურიც კი.

„ეს არის პირველი ნაბიჯი თვითნებური შემადგენლობის ხელოვნური თვითგამრავლების მასალების შექმნის პროცესში“, - თქვა პოლ ჩაიკინმა, NYU-ს ფიზიკის დეპარტამენტის პროფესორმა და კვლევის ერთ-ერთმა თანაავტორმა. „შემდეგი გამოწვევა არის ისეთი პროცესის შექმნა, რომელშიც თვითრეპლიკაცია მოხდება არა მხოლოდ რამდენიმე თაობის განმავლობაში, არამედ საკმარისად ხანგრძლივად, რომ აჩვენოს ექსპონენციალური ზრდა“.

"მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენი რეპლიკაციის მეთოდი მოითხოვს ქიმიურ და თერმულ დამუშავების მრავალ ციკლს, ჩვენ ვაჩვენეთ, რომ შესაძლებელია არა მხოლოდ მოლეკულების გამეორება, როგორიცაა უჯრედული დნმ ან რნმ, არამედ დისკრეტული სტრუქტურები, რომლებსაც შეუძლიათ მიიღონ მრავალი განსხვავებული ფორმა, ჰქონდეს მრავალი განსხვავებული ფუნქციური თვისება და ასოცირდება ქიმიურ სახეობებთან მრავალ სხვადასხვა სახეობასთან“, - დასძინა ნადრიან სემანმა, NYU-ს ქიმიის დეპარტამენტის პროფესორმა და კვლევის თანაავტორმა.


ცნობები

ფონ ნეუმანი, ჯ. თვითრეპროდუცირებადი ავტომატების თეორია (Univ. Illinois Press, Champaign, Illinois 1966).

ფრეიტასი, R.A. Jr & Merkle, R.C. კინემატიკური თვითგამრავლების მანქანები (Landes Bioscience, ჯორჯთაუნი, ტეხასი, 2004 წ.).

პენროუზი, ლ. ს. და ამპერ პენროუზი, რ. Ბუნება 179, 1183 (1957).

ალბერტსი, ბ. და სხვ. (eds) in უჯრედის მოლეკულური ბიოლოგია 4th edn, 241 და 983 (Garland Science, New York, 2001).

იაკობსონი, ჰ. Ვარ. მეცნიერება. 46, 255–284 (1958).

პენროუზი, L. S & amp Penrose, S. V. ავტომატური მექანიკური თვითგამეორება (2) (Cresswell Film Unit, Galton Laboratory, University College London, 1961 წლის დეკემბერი).

სუტაკორნი, ჯ., კუშინგი, ა.ბ. და ამფ ჩირიკჯიანი, გ.ს. პროკ. 2003 IEEE/ASME Int. კონფ. ადვ. ინტელი. მექატრონიკი (AIM) (კობი, იაპონია, 2003 წ.).

ზიკოვი, ვ., მიტილინაიოსი, ე., ადამსი, ბ. და ამფ ლიპსონი, ჰ. Ბუნება 435, 163–164 (2005).

ბანკები, E. R. ინფორმაციის დამუშავება და გადაცემა ფიჭურ ავტომატებში. დისერტაცია, მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტი (1971).

Griffith, S. მზარდი მანქანები. ნაშრომი, მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტი (2004).


ონლაინ კურსი
2021 წლის 16-19 აგვისტო + 2021 წლის 23-26 აგვისტო

8:00 - 12:30 სთ
(ცენტრალური დროის ზონა, აშშ)

რეგისტრაცია უკვე გახსნილია!

Seed Business 101-ის მიზანია გააუმჯობესოს თითოეული მონაწილის კარიერული წარმადობა და დაეხმაროს მათ თავიდან აიცილონ ძვირადღირებული შეცდომები. კურსი შექმნილია სათესლე კომპანიის ხუთი ძირითადი ფუნქციონალური სფეროს ოპტიმალურ ოპერაციებზე ფოკუსირებისთვის, რაც მონაწილეებს შესთავაზებს სათესლე კომპანიის ოპერაციების ძირითადი ასპექტების ფართო გაგებას და საუკეთესო პრაქტიკის ცოდნას მომგებიანობისთვის.

განაცხადები ახლა მიიღება!

PBA დევისში
2021 წლის შემოდგომა


UC Davis დაასრულებს Seed Production ON-LINE კურსს

LGC, Biosearch Technologies აფრიკის PBA IV კლასის კურსდამთავრებულებისთვის

დოქტორი იოვან ჯორჯევიჩი უერთდება SBC-ს განათლების დირექტორის თანამდებობაზე

რალე ჯურიჩი, SBC განათლების ყოფილი დირექტორი, განიხილავს კანაფის მრავალ გამოყენებას მარსელ ბრუინსთან (ევროპული თესლი)

SBC დირექტორი ალენ ვან დეინზი განიხილავს USDA-ს როლს მცენარეთა მოშენებასა და მენტორობაში.

კვლევამ აჩვენა, რომ მექსიკური ჯიშის სიმინდი ჰაერიდან იღებს მისთვის საჭირო აზოტს


Შედეგები და დისკუსია

რეპლიკაციის ძირითადი სქემა იგივე რჩება, რაც იხ. 20. აბანო შეიცავს მონომერული დნმ-ის ორიგამის ფილებს, რომლებიც ფუნქციონირებს დნმ-ის ერთჯაჭვიანი (წებოვანი ბოლოები) ჰორიზონტალური და ვერტიკალური შეკვრისთვის სხვა დამატებითი მონომერული ფილებისთვის. აქ აღწერილი სამუშაოსთვის, "ჰორიზონტალური" და "ვერტიკალური" ეხება მიმართულებებს ჯვრის ფორმის ორიგამის კრამიტის სიბრტყეში. სათესლე დიმერი, ჰორიზონტალურად შეკრული მონომერების ნაკრები, შეჰყავთ აბაზანაში. სისტემის გაგრილებისას დიმერი ვერტიკალურად აკავშირებს და აკავებს ორ დამატებით მონომერს. სანამ სისტემა ცივია, შეკრული მონომერები ჰორიზონტალურად უკავშირდება. ჰორიზონტალურ წებოვან ბოლოებზე ოთხი პოზიცია შედგება 3-ციანოვინვილკარბაზოლის ნუკლეოზიდისგან (cnv K) (20, 22), რომელიც, როდესაც ულტრაიისფერი შუქი გააქტიურებულია, შეუძლია ჯვარედინი დაკავშირება თიმინის ნუკლეოტიდთან დამატებითი წებოვანი ბოლოზე, შესაბამისად, კოვალენტურად აკავშირებს მონომერებს ქალიშვილად. დიმერები. სისტემის გაცხელებისას იხსნება ვერტიკალური ბმები და იხსნება სათესლე/მშობელი დიმერი და ქალიშვილი დიმერები. შემდეგ შვილობილი დიმერები შეიძლება იმოქმედონ როგორც მშობლები მომავალი თაობისთვის, იდეალურად გაორმაგდება მშობელი დიმერების რაოდენობა ყოველ ციკლში/თაობაში.

რეპლიკაციისა და ექსპონენციალური ზრდის დემონსტრირება ref. 20 გაკეთდა მართკუთხა ორიგამის მოლეკულით, არსებითად 12 ორჯაჭვიანი ხვეულისგან შემდგარი ჯოხი, რომლებიც შეკრული იყო „სამაგრი ძაფებით“. ცნობილია, რომ ინტერორიგამის შეკვრა საუკეთესოდ კეთდება ორმაგი ხვეულების ღერძების გასწვრივ. ამიტომ, მართკუთხა რაფტებისთვის ჩვენ გამოვიყენეთ მართკუთხედის მოკლე კიდეები ჰორიზონტალური ბმებისთვის და ზედა და ქვედა სახეები ვერტიკალური ბმებისთვის. წინამდებარე ნაშრომში ვიყენებთ „კროს-კრამიტი“ ორიგამის (23) ორმაგი ხვეულებით ჯვრის ორივე პერპენდიკულარული მიმართულებით. ამ კონფიგურაციაში ჩვენ შეგვიძლია გვქონდეს უფრო სტაბილური კავშირი ჯვრის გარე ოთხი კიდეების გასწვრივ. ეს ასევე ტოვებს ორ სახეს დამატებითი შეკვრისთვის სხვა გამოყენებისთვის და უფრო მოქნილი დიზაინისთვის.

ჩვენ პირველ რიგში ვიყენებთ ჩვენს ჯვარედინი კრამიტის სისტემას, რათა გავიმეოროთ თესლის დიმერის წინა თვითგამეორება, გამაძლიერებელი ფაქტორით 2. პროცესი ილუსტრირებულია ნახ. 1-ში. თესლის დიმერი (წითელი ფილა ნახ. 1-ში.) შედგება ორი ინდივიდუალური მონომერისგან, რომლებიც დაკავშირებულია 11-bp ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლოების ნაკრებით. თესლის დიმერის დნობის ტემპერატურა საკმარისად მაღალია, რომ ის ხელუხლებელი რჩება თერმული დუღილის ციკლის განმავლობაში. ექვსი ვერტიკალური წებოვანი ბოლოების ნაკრები თესლის დიმერის თითოეულ ფილაზე (ნახ. 1, α) საშუალებას აძლევს მას დაუკავშირდეს შემდეგი თაობის ორ ფილას. პირველი თაობის (FG) და მეორე თაობის (SG) ფილები, ნაჩვენებია ლურჯ და მწვანეში ნახ. 1-ში, შეიცავს ვერტიკალურ წებოვან ბოლოებს, სადაც α' FG-ზე ავსებს α-ს როგორც SG-ზე, ასევე თესლის დიმერზე. ამ მონომერულ ფილებს აქვს უნიკალური ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლოების ნაკრები: β და მისი დანამატი β′ FG-ზე და γ და მისი კომპლიმენტი γ′ SG-ზე. თითოეულ კომპლექტში არის ექვსი ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლო, თითოეული კრამიტის მარცხენა და მარჯვენა მხარეს. ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლოებიდან ოთხი შეიცავს CNV K-ს. CNV K ერთეულები განლაგებულია თიმინის დიაგონალზე, კომპლემენტურ კომპლექტზე, ისე, რომ როდესაც ნიმუში ექვემდებარება ულტრაიისფერ შუქს, ქალიშვილები ერთმანეთთან კოვალენტურად არის დაკავშირებული (ნახ. 1).) (20, 23). როდესაც თესლის დიმერის ფილები იჭერს ორ FG ფილას ვერტიკალური წებოვანი ბოლო ჰიბრიდიზაციით დაბალ ტემპერატურაზე, იქმნება ტეტრამერული სტრუქტურა. შემდეგ FG ფილები ერთმანეთთან ახლოს არის, რაც ზრდის ადგილობრივ კონცენტრაციას და იწვევს მათ ჰორიზონტალურ ბაზის დაწყვილებას. ამ თვალსაზრისით, თესლი მოქმედებს როგორც კატალიზატორი მონომერების შებოჭვისთვის, რათა წარმოქმნას ქალიშვილი დიმერი. სუსპენზიაში მონომერები დაბალ კონცენტრაციაშია ისე, რომ ისინი არ აკავშირებენ ერთმანეთს თერმული გამოწვის ტემპერატურის დიაპაზონში. ულტრაიისფერი სხივების ზემოქმედების შემდეგ, FG ფილებზე ჰიბრიდირებული ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლოები ჯვარედინად არის დაკავშირებული დიმერების შესაქმნელად. გაცხელების შემდეგ, თესლები და ქალიშვილები ერთმანეთისგან იშორებენ და ახალ FG დიმერებს შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც შაბლონები შემდგომი თაობის დიმერების წარმოებისთვის. შემდგომი თაობის დიმერები მიჰყვებიან იგივე რეპლიკაციის ციკლს, იდეალურად გაორმაგდება დიმერების რაოდენობა თითოეულ ციკლში. ჯვარედინი ფილების ღირებული თვისება ის არის, რომ ისინი შეიცავენ შესქელებულ ნაწილს, რომელიც ჩანს როგორც "თანაბარი ნიშანი", ხილული ატომური ძალის მიკროსკოპით (AFM), რითაც ქმნის ორიენტაციის ეტიკეტს თითოეული ფილისთვის. ტოლობის ნიშნები ჩანს ნახ.1-ში მუქი სტიქიური უბნების სახით და სხვა ფიგურებში.

ჯვრის ფორმის დნმ-ის ორიგამის ფილების თვითრეპლიკაცია. () თესლის დიმერის (წითელი), FG მონომერის (ლურჯი) და SG მონომერის (მწვანე) სქემები. თესლის დიმერი (S) შეიცავს ექვსი ვერტიკალური წებოვანი ბოლოების კომპლექტს, რომლებიც ვრცელდება თითოეული კრამიტის ზემოდან (α) და ერთმანეთთან არის შეკრული ექვსი 11-bp დამატებითი ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლოებით (ლურჯი ხაზები თესლის ფილაზე). ორივე FG და SG მონომერებს აქვთ ექვსი ჰორიზონტალური წებოვანი ბოლოების უნიკალური ნაკრები კრამიტის თითოეულ მხარეს (β და მისი დანამატი β′ FG-სთვის და γ და მისი გ′ SG-სთვის), სადაც თითოეულზე არის CNV K ერთეული. ოთხი ძაფიდან (ვარდისფერი ხაზები). FG მონომერს აქვს ექვსი ვერტიკალური წებოვანი ბოლოების ნაკრები, რომელიც ვრცელდება ქვემოდან α′, რომლებიც ავსებენ α-ს. SG მონომერს აქვს თესლის ვერტიკალური წებოვანი ბოლოების იდენტური ნაკრები, α. () FG დიმერის სქემა. როდესაც ექვემდებარება ულტრაიისფერ შუქს, CNV K ერთეულს შეუძლია გადაკვეთოს თიმინი დამატებით ჯაჭვზე, რათა შექმნას კოვალენტური ბმა. (C) თვითგამრავლების ველოსიპედი. სათესლე დიმერი ჰიბრიდირებულია ორ მომდევნო თაობის მონომერთან (FG) ვერტიკალურად, რათა წარმოქმნას ტეტრამერი. ულტრაიისფერი გამოსხივების შემდეგ, თესლზე მიმაგრებული ორი შემდეგი თაობის მონომერი ქიმიურად ჯვარედინდება CNV K ფოტო-ჯვარედინი კავშირის რეაქციის საშუალებით. სისტემის გაცხელებით 48 °C-მდე, ტეტრამერი გამოიყოფა თესლის დიმერად და FG დიმერად. ჯვარედინი დაკავშირებულ დიმერებს შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც თესლი შემდგომი თაობების შესაქმნელად.

ამ მიდგომის ექსპერიმენტულად განსახორციელებლად, სათესლე დიმერის, ქალიშვილის და ტეტრამერის ფილები ჩამოყალიბდა და დახასიათდა AFM-ის გამოყენებით, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 2-ში.. Next, we used a thermal annealing protocol (Მასალა და მეთოდები) to form the tetramer structure between seed dimers and FG tiles. A distinct tetramer band on a nondenaturing agarose gel run at 18 °C, which is the temperature that UV photo–cross-linking is carried out, suggests the stability of the tetramer structure (Fig. 2, lane 3). Furthermore, the FG tile in lane 2 shows a single monomer band, demonstrating that there is no horizontal binding between the monomers. The tetramer structure can be separated vertically by heat (SI დანართი, სურ. S3). Fluorescence resonance energy transfer (FRET) results indicate that the melting temperature of the vertical sticky ends is around 35 °C (SI დანართი, Fig. S5).

Self-replication of cross-shaped DNA origami seeds. () AFM images of seed dimers, FG monomers, and seed-FG tetramers with their respective schematic drawings are shown from left to right. (ჩასმა) The AFM image of seed dimers shows the orientation of equal sign in the target dimer structure. (Scale bars, 200 nm.) () A nondenaturing agarose gel (0.8%) shows the formation of the tetramer between a seed dimer and two FG monomers (lane 3). Lane 1 contains dimer seed, and lane 2 contains FG monomer. The gel was run at 18 °C. (C) A nondenaturing agarose gel showing the amplification and quantification of dimers in four cycles, with a starting ratio of 1:32:30 between seed:FG:SG. Lane 1 and lane 2 contain dimer seed and FG monomer, respectively. Lanes 3–5 contain the mixtures from cycles 0, 2 and 4, respectively. The intensity of the band showing dimers increases as the cycling proceeds. The gel was run at 48 °C. () Plot showing the total amplification factor at each cycle for different ratios between seed:FG:SG. The green, blue, and red curves represent the replication cycling containing seeds, FG tiles, and SG tiles with the ratios of 1:8:6, 1:16:14, and 1:32:30, respectively. The green and blue curves were obtained by evaluating AFM images, and the red curve was collected from quantification of the gel shown in C. Each curve shows an average replication rate of ∼1.7 per cycle.

We conducted the exponential growth experiments by using three different initial ratios (1:8:6, 1:16:14, and 1:32:30) between the seed dimer, FG monomers, and SG monomers, respectively. Ideally for the one-sided design the ratio seed:FG:SG is 1:2 M :2 M -2, producing 2 M dimers for M cycles, but typically we put in enough monomers for one additional cycle. The number of cycles that were run for each ratio was determined by when, theoretically, half of the monomers would be consumed. To quantify the amplification factor, we divided the fraction of dimers in each cycle by the initial fraction of seed dimmers: N = f n / f 0 .

: fraction of dimers after n cycle of self-replication

0: fraction of dimers before self-replication

= number of dimers/(number of dimers + number of monomers/2).

For ratios 1:8:6 and 1:16:14, the amount of dimers and monomers was counted from AFM images (SI დანართი, ნახ. S6 and S7). To calculate the dimer fraction, the total number of dimers was multiplied by two and then divided by the total number of monomers. At least 1,000 tiles were counted per cycle for both ratios. For ratio 1:32:30, the dimer percentage for each cycle was quantified by comparing the intensity of upper gel bands (dimer, trimer) to the total intensity of the bands in the entire lane (Fig. 2C). The fraction of monomers/dimers is determined by the integration of the gel intensity plot using ImageJ as discussed and illustrated in SI დანართი, Fig. S4. The plot in Fig. 2 shows the amplification factor over the course of self-replication cycling for the different ratios, with each ratio averaging ∼1.7 per cycle. Trimers begin to appear after the first cycle because it is then possible for the seed dimer to hybridize with both a single daughter monomer and a cross-linked daughter dimer.

After demonstrating the success of this cross-tile self-replication system, we proceeded to enhance the replication efficiency. Because the dimer tiles can only pick up two daughter tiles on one vertical side, the theoretical maximum amplification rate per cycle is 2. To exceed this limit, we extended the other vertical edge with the same set of vertical sticky ends on the tiles, as shown in Fig. 3. In this ladder design, the seed dimer and SG tiles now have the vertical sticky-end set α extending from both the top and bottom, while the FG tile has vertical sticky-end set α′. When mixed together, they can hybridize to form railroad-track–like structures of a variable length. The seed dimer, which serves as the parent template in the initial stage, is absent from this schematic to emphasize that the new dimers formed from self-replication can serve as parents in the subsequent cycles. Successful formation of the ladder structure after hybridization and UV cross-linking was confirmed via AFM (Fig. 3). Furthermore, to confirm that no replication occurs without the initial seed dimer, a sample containing only FG and SG monomer tiles was subject to replication cycling. The results show a faint dimer band on a nondenaturing agarose gel (SI დანართი, Fig. S10), which is substantially lower than when the seed dimer is used (SI დანართი, Fig. S13).

Ladder self-replication of cross-shaped DNA origami tiles using a serial transfer. () Schematic of the ladder self-replication. The seed dimer, FG (blue) and SG (green) monomer contain their respective vertical sticky-end set on both the top and bottom of each tile, detailed in SI დანართი, Fig. S1. The seed tile and SG monomer will have set α, and the FG monomer will have set α′, as labeled in Fig. 1. The parent, as a cross-linked dimer, can hybridize with the daughter tiles in both vertical directions to form a ladder. When exposed to UV light, a cross-linked ladder is formed. After heating to 48 °C, the ladder separates vertically into individual cross-linked FG and SG dimers. These can then serve as parents as the cycle repeats. The seed dimer, not shown in this schematic, can act as a parent in the same way. () AFM images of the cross-linked ladder. (Scale bars, 200 nm.) These are taken from green-bar (1:32:30) experiments. (C) Column chart showing the amplification factors after each transfer and cycle of self-replication for both the ratio of 1:32:30 between seed:FG:SG (green) and the ratio of 1:64:62 (purple) from gel quantification. At transfer 0 cycle 1, the dimer percentage amplifies by ∼fourfold for the ratio of 1:32:30 and ∼sixfold for the ratio of 1:64:62, and the chart shows this repeated cycling until cycle 6. () Overall amplification of a serial transfer experiment. Overall amplification curves were obtained by six transfer cycles, resulting in an ∼2,700-fold amplification for the sample of the ratio 1:32:30 (green curve obtained from gel quantification, blue curve obtained from evaluating AFM images), and 270,000-fold amplification for the sample of the ratio of 1:64:62 (purple curve obtained from gel quantification, red curve obtained from evaluating AFM images).

To start the replication using the ladder design, we used two population pools: the starting ratio was 1:32:30 and 1:64:62 between seed: FG:SG, respectively. A serial transfer was conducted after each cycle, where a portion of the sample was transferred to a fresh pool of daughter tiles to dilute the dimer population to its initial percentage. This ensures that there are sufficient monomers for replication. A total of six cycles were run for each ratio, and the amplification was quantified by both AFM counting (SI დანართი, ნახ. S11–S12) and agarose gel electrophoresis (SI დანართი, Fig. S13). For the two-sided ladder design, the amplification factor should be proportional to the ratio of monomers to seeds. The results from gel quantification are plotted in Fig. 3C, showing that the amplification factor per cycle averages ∼4 for the ratio of 1:32:30 and ∼8 for the ratio of 1:64:62. With the ladder design, the amplification factor is no longer limited to 2, and leads to a system that achieves a much greater amplification factor per cycle. The plot in Fig. 3 shows the overall amplification factor versus the cycle number, obtained from gel quantification and AFM counting data. After six cycles, the ratio of 1:32:30 (green, blue lines) results in an ∼2,700-fold overall amplification, while the ratio of 1:64:62 (red, purple lines) results in an ∼270,000-fold overall amplification.

In addition to the ladder design that exceeds the replication limit of 2 for each temperature–UV cycle, we also performed experiments to optimize yield by decreasing the annealing ramp time to accomplish more cycles within the same amount of time. The previous slow-annealing method (20) used a long annealing time, about 30 h, to assure “complete” specific self-assembly of the tetramer structure (parent dimer + two daughter monomers). However, subsequent experiments reported here show that the tetramer structure can be formed within a 40-min isothermal annealing period after heating the seed dimer and FG tiles at 48 °C for 30 min (Fig. 4). Since the tetramer structure is the platform for self-replication, the kinetics of the binding between vertical sticky ends to form the tetramer structure and the pairing between the horizontal sticky ends for cross-linking are essential. FRET results show that the binding of vertical sticky ends occurs rapidly (Fig. 5 C): 71% of the vertical sticky ends bind after 5 min of isothermal annealing at 16 °C, and 90% of vertical sticky-ended binding is completed after 40 min of isothermal annealing, compared with the slow-annealing method. Vertical sticky-end binding saturates at ∼91% after 40 min, indicating that the majority of vertical binding for tetramer structure formation is completed within 40 min. Furthermore, the FRET results of horizontal sticky-end binding show similar kinetics through isothermal annealing (Fig. 5 ). As indicated by the FRET signal, binding increases rapidly at the beginning, and reaches a plateau of 97% after 40 min, indicating that 40 min of isothermal annealing is sufficient to form the tetramer structure for self-replication.

Self-replication of cross-shaped DNA origami using fast-annealing process. () AFM image of formation of seed-FG tetramer through 40-min fast annealing process. () Replication rate of DNA origami corresponded to the annealing time from 10 to 40 min, obtained from gel quantification. (C) Gel image of five-cycle fast-annealing self-replication of DNA origami using a serial transfer. თ0C0 in the image represents transfer 0 cycle 0. The gel was run at 48 °C () Plot showing the change of the dimer percentage and replication rate of each cycle of fast-annealing self-replication, obtained from gel quantification of C.

Kinetic study of self-assembly of seed and FG during the fast-annealing process through FRET. () Schematics of formation of cy3–cy5 vertical pair through hybridization between seed–cy3 (donor) and FG–cy5 (acceptor). () Fluorescence spectra of seed–cy3 (donor alone) and seed-FG tetramer (cy3–cy5 vertical pair). (C) Fraction of the cy3–cy5 vertical pair formed through the hybridization between the seed–cy3 and FG–cy5 over the first 60 min after annealing at 16 °C. () Schematics of formation of cy3–cy5 horizontal pair through hybridization between cy5-FG–cy3. () Fluorescence spectra of cy5-FG–cy3 (donor–acceptor separated) and seed-FG tetramer (cy3–cy5 horizontal pair). () Fraction of the cy3–cy5 horizontal pair formed through the hybridization between the cy5-FG–cy3 over the first 60 min after annealing at 16 °C.

Upon UV exposure for 20 min, a systematic study shows that the replication rate increases from 1.28 to 1.50 for the prolonged isothermal annealing time from 10 to 40 min the data were collected from gel quantification (Fig. 4). Then, a total of five self-replication cycles, by a series transfer after each cycle, were run using this fast-annealing process of 40-min isothermal annealing, and the amplification was quantified by agarose gel electrophoresis (Fig. 4 C და ). The replication rate of each cycle was consistent, indicating this is a reproducible procedure, and the average replication rate was 1.51. Although we obtained a smaller replication rate per cycle compared with the current slow-annealing method, we were able to accomplish 20 cycles within the same amount of time. In this manner, the fast-annealing method results in an ∼4,400-fold overall amplification in the time it takes for one cycle of the current method.


Reproductive genome from the laboratory

The field of synthetic biology does not only observe and describe processes of life but also mimics them. A key characteristic of life is the ability to ability for replication, which means the maintenance of a chemical system. Scientists at the Max Planck Institute of Biochemistry in Martinsried generated a system, which is able to regenerate parts of its own DNA and protein building blocks.

In the field of synthetic biology, researchers investigate so-called "bottom-up" processes, which means the generation of life mimicking systems from inanimate building blocks. One of the most fundamental characteristics of all living organism is the ability to conserve and reproduce itself as distinct entities. However, the artificial "bottom-up" approach to create a system, which is able to replicate itself, is a great experimental challenge. For the first time, scientists have succeeded in overcoming this hurdle and synthesizing such a system.

Hannes Mutschler, head of the research group "Biomimetic Systems" at the Max Planck Institute for Biochemistry, and his team are dedicated to imitate the replication of genomes and protein synthesis with a "bottom-up" approach. Both processes are fundamental for the self-preservation and reproduction of biological systems. The researchers now succeeded in producing an in vitro system, in which both processes could take place simultaneously. "Our system is able to regenerate a significant proportion of its molecular components itself," explains Mutschler.

In order to start this process, the researchers needed a construction manual as well as various molecular "machines" and nutrients. Translated into biological terms, this means the construction manual is DNA, which contains the information to produce proteins. Proteins are often referred to as "molecular machines" because they often act as catalysts, which accelerate biochemical reactions in organisms. The basic building blocks of DNA are the so-called nucleotides. Proteins are made of amino acids.

Modular structure of the construction manual

Specifically, the researchers have optimized an in vitro expression system that synthesizes proteins based on a DNA blueprint. Due to several improvements, the in vitro expression system is now able to synthesize proteins, known as DNA polymerases, very efficiently. These DNA polymerases then replicate the DNA using nucleotides. Kai Libicher, first author of the study, explains: "Unlike previous studies, our system is able to read and copy comparatively long DNA genomes.

The scientists assembled the artificial genomes from up to eleven ring-shaped pieces of DNA. This modular structure enables them to insert or remove certain DNA segments easily. The largest modular genome reproduced by the researchers in the study consists of more than 116,000 base pairs, reaching the genome length of very simply cells.

Regeneration of proteins

Apart from encoding polymerases that are important for DNA replication, the artificial genome contains blueprints for further proteins, such as 30 translation factors originating from the bacterium Escherischia coli. Translation factors are important for the translation of the DNA blueprint into the respective proteins. Thus, they are essential for self-replicating systems, which imitate biochemical processes. In order to show that the new in vitro expression system is not only able to reproduce DNA, but is also able to produce its own translation factors, the researchers used mass spectrometry. With this analytic method, they determined the amount of proteins produced by the system.

Surprisingly, some of the translation factors were even present in larger quantities after the reaction than added before. According to the researchers, this is an important step towards a continuously self-replicating system that mimics biological processes.

In the future, the scientists want to extend the artificial genome with additional DNA segments. In cooperation with colleagues from the research network MaxSynBio, they want to produce an enveloped system that is able to remain viable by adding nutrients and disposing of waste products. Such a minimal cell could then be used, for example, in biotechnology as a tailor-made production machine for natural substances or as a platform for building even more complex life-like systems.


NYU scientists' creation of self-replication process holds promise for production of new materials

New York University scientists have developed artificial structures that can self-replicate, a process that has the potential to yield new types of materials. The work, conducted by researchers in NYU's Departments of Chemistry and Physics and its Center for Soft Matter Research, appears in the latest issue of the journal Ბუნება.

In the natural world, self-replication is ubiquitous in all living entities, but artificial self-replication has been elusive. The discovery in Nature reports the first steps toward a general process for self-replication of a wide variety of arbitrarily designed seeds. The seeds are made from DNA tile motifs that serve as letters arranged to spell out a particular word. The replication process preserves the letter sequence and the shape of the seed and hence the information required to produce further generations.

This process holds much promise for the creation of new materials. DNA is a robust functional entity that can organize itself and other molecules into complex structures. More recently DNA has been used to organize inorganic matter, such as metallic particles, as well. The re-creation by the NYU scientists of this type of assembly in a laboratory raises the prospect for the eventual development of self-replicating materials that possess a wide range of patterns and that can perform a variety of functions. The breakthrough the NYU researchers have achieved is the replication of a system that contains complex information. Thus, the replication of this material, like that of DNA in the cell, is not limited to repeating patterns.

To demonstrate this self-replication process, the NYU scientists created artificial DNA tile motifs --short, nanometer-scale arrangements of DNA. Each tile serves as a letter--A or B--that recognizes and binds to complementary letters A' or B'. In the natural world, the DNA replication process involves complementary matches between bases--adenine (A) pairs with thymine (T) and guanine (G) pairs with cytosine (C) -- to form its familiar double helix. By contrast, the NYU researchers developed an artificial tile or motif, called BTX (bent triple helix molecules containing three DNA double helices), with each BTX molecule comprised of 10 DNA strands. Unlike DNA, the BTX code is not limited to four letters--in principle, it can contain quadrillions of different letters and tiles that pair using the complementarity of four DNA single strands, or "sticky ends," on each tile, to form a six-helix bundle.

In order to achieve self-replication of the BTX tile arrays, a seed word is needed to catalyze multiple generations of identical arrays. BTX's seed consists of a sequence of seven tiles--a seven-letter word. To bring about the self-replication process, the seed is placed in a chemical solution, where it assembles complementary tiles to form a "daughter BTX array"--a complementary word. The daughter array is then separated from the seed by heating the solution to

40 oC. The process is then repeated. The daughter array binds with its complementary tiles to form a "granddaughter array," thus achieving self-replication of the material and of the information in the seed--and hence reproducing the sequence within the original seed word. Significantly, this process is distinct from the replication processes that occur within the cell, because no biological components, particularly enzymes, are used in its execution--even the DNA is synthetic.

"This is the first step in the process of creating artificial self-replicating materials of an arbitrary composition," said Paul Chaikin, a professor in NYU's Department of Physics and one of the study's co-authors. "The next challenge is to create a process in which self-replication occurs not only for a few generations, but long enough to show exponential growth."

"While our replication method requires multiple chemical and thermal processing cycles, we have demonstrated that it is possible to replicate not just molecules like cellular DNA or RNA, but discrete structures that could in principle assume many different shapes, have many different functional features, and be associated with many different types of chemical species," added Nadrian Seeman, a professor in NYU's Department of Chemistry and a co-author of the study.

The research was supported by grants from the W.M. Keck Foundation, the MRSEC Program of the National Science Foundation, the National Institute of General Medical Sciences, the Army Research Office, NASA, and the Office of Naval Research.

პასუხისმგებლობის უარყოფა: AAAS და EurekAlert! არ არის პასუხისმგებელი EurekAlert-ზე გამოქვეყნებული ახალი ამბების სიზუსტეზე! დამხმარე დაწესებულებების ან ნებისმიერი ინფორმაციის გამოყენებისთვის EurekAlert სისტემის მეშვეობით.



კომენტარები:

  1. Shaktigore

    It is compliant, it is the admirable phrase

  2. Ditaxe

    I am sorry, it does not approach me. კიდევ ვინ, რა შეიძლება მოითხოვოს?

  3. Pepik

    მე წავშალე შეტყობინება

  4. Fenricage

    Რა თქმა უნდა. ასე ხდება.

  5. Tygogal

    Მხიარული ხარ.

  6. Tolkis

    ეს - აუტანელია.



დაწერეთ შეტყობინება