Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã xác định trình tự hoàn chỉnh đầu tiên của hai gen keo nhện. Keo nhện là một dạng tơ nhện đã được sửa đổi để giữ con mồi của nhện bị mắc kẹt trong mạng của nó và nó có thể có các ứng dụng trong kiểm soát dịch hại hữu cơ và hơn thế nữa.
Đồng nghiệp sau tiến sĩ của UMBC, Sarah Stellwagen và đồng tác giả Rebecca Renberg tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân sự đã công bố trình tự hoàn chỉnh đầu tiên của hai gen cho phép nhện tạo ra keo – một phiên bản tơ nhện dính, biến đổi, giữ con mồi của nhện bị mắc kẹt web của nó. Những phát hiện xuất hiện trong Gen, Genome, Di truyền học .
Phương pháp cải tiến mà họ sử dụng có thể mở đường cho những người khác sắp xếp nhiều gen tơ và keo hơn, vốn là thách thức đối với trình tự vì độ dài và cấu trúc lặp đi lặp lại của chúng. Hiểu rõ hơn về các gen này có thể đưa các nhà khoa học đến gần hơn với bước tiến lớn tiếp theo trong vật liệu sinh học.
Giải pháp dính
Tơ nhện là những gì mạng nhện được tạo ra và nó được quảng cáo trong nhiều năm là vật liệu lớn tiếp theo trong vật liệu sinh học vì độ bền kéo khác thường của nó kết hợp với tính linh hoạt của nó. Có hơn 45.000 loài nhện được biết đến, mỗi loài tạo ra từ một đến bảy loại tơ. Tuy nhiên, mặc dù có nhiều trình tự từng phần, người ta ít biết về cấu trúc di truyền đầy đủ của tơ nhện: Chỉ có khoảng 20 gen hoàn chỉnh đã được giải trình tự. “Hai mươi câu chuyện so với những gì ngoài kia,” Stellwagen nói.
Thêm vào đó, tơ nhện đã được chứng minh là khó khăn để sản xuất với số lượng lớn. Nhện chuyển đổi các đốm tơ lỏng thành các sợi rắn, cứng trong một quá trình phức tạp bên trong cơ thể chúng. Các nhà khoa học có thể tạo ra chất lỏng, nhưng “chúng ta không thể sao chép quá trình chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn ở quy mô công nghiệp lớn”, Stellwagen nói.
Keo nhện, tuy nhiên, là một chất lỏng cả bên trong và bên ngoài con nhện. Mặc dù keo “có những thách thức riêng”, Stellwagen nói, sự khác biệt đó có thể khiến keo nhện dễ sản xuất trong phòng thí nghiệm hơn lụa.
Stellwagen thấy tiềm năng lớn cho các ứng dụng keo nhện là kiểm soát dịch hại hữu cơ. Rốt cuộc, cô nói, “Thứ này tiến hóa để bắt con mồi côn trùng.”
Ví dụ, nông dân có thể phun keo dọc theo tường chuồng để bảo vệ gia súc của họ khỏi côn trùng cắn hoặc gây bệnh, sau đó có thể rửa sạch mà không lo làm ô nhiễm đường thủy với thuốc trừ sâu nguy hiểm. Họ có thể sử dụng keo tương tự để bảo vệ cây trồng khỏi sâu bệnh. Nó cũng có thể được áp dụng ở những khu vực phổ biến bệnh do muỗi truyền. “Nó cũng có thể rất vui khi chơi cùng,” Stellwagen nói.
Một “khổng lồ của một gen”
Trước công trình của Stellwagen và Renberg, được tài trợ bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân sự, gen tơ dài nhất được giải trình tự là khoảng 20.000 cặp cơ sở. Khi cô bắt đầu dự án này, Stellwagen đã mong đợi sắp xếp các gen keo một cách nhanh chóng và sau đó tiếp tục, dựa trên những gì cô học được từ trình tự. Thay vào đó, cô và Renberg phải mất hai năm chỉ để hoàn thành chuỗi.
Stellwagen nói: “Cuối cùng, đây là loại gen của một gen lớn hơn gấp đôi so với gen tơ lớn nhất trước đây”. Đó là một con đường dài, khó khăn cho đến ngày cô tìm thấy Renberg trong phòng thí nghiệm và nói: “Tôi nghĩ gen của chúng tôi dài 42.000 cơ sở. Tôi nghĩ chúng tôi đã hoàn thành nó.” Và cuối cùng, nó đã mạo hiểm với một kỹ thuật tiên tiến cuối cùng đã mang lại chuỗi hoàn chỉnh.
Không chỉ là gen dài đặc biệt, mà giống như gen tơ nhện, nó có nhiều lần lặp lại cùng một chuỗi các bazơ – A, T, G và C – ở giữa. Các kỹ thuật giải trình tự hiện đại (được gọi là “giải trình tự thế hệ tiếp theo”) hoạt động bằng cách tạo ra các trình tự DNA cho tất cả các gen của sinh vật, nhưng bị băm nhỏ thành từng mảnh nhỏ. Sau đó, giống như giải một câu đố, các nhà khoa học phải ghép các đầu chồng lên nhau của các phần ngắn để xác định toàn bộ chuỗi.
Tuy nhiên, nếu gen của bạn lặp đi lặp lại, bạn cần một chuỗi duy nhất hoặc “đọc”, kéo dài từ trước khu vực lặp đi lặp lại đến cuối cùng để biết có bao nhiêu lần lặp lại. Nếu phần lặp đi lặp lại của bạn dài, vì nó nằm trong gen keo mà Stellwagen và Renberg đã nghiên cứu, khả năng bạn sẽ có được số đọc bạn cần với các phương pháp thế hệ tiếp theo là rất mong manh.
May mắn thay, kỹ thuật giải trình tự “thế hệ thứ ba” hiện đã có. Trình tự thế hệ thứ ba tạo ra các lần đọc dài hơn, nhưng ít hơn trong số chúng. Chỉ bằng cách lặp lại thí nghiệm nhiều lần, bạn mới có cơ hội nhận được số lần đọc mà bạn cần để xác định số lần lặp lại và cuối cùng xác định toàn bộ trình tự của gen. “Đó là thách thức,” Stellwagen nói. “Bạn đang chọn một cây kim từ đống cỏ khô.”
Nhưng nó đã làm việc. Sau hai năm đi đến máy tính và không thấy kết quả khả quan, cuối cùng Stellwagen và Renberg đã có được số lần đọc cần thiết để xác định toàn bộ trình tự gen.
Stellwagen đã suy nghĩ trước những gì tiếp theo. “Bây giờ chúng ta có một giao thức để khám phá các gen tơ dài, các loại tơ từ các loài khác trông như thế nào?” cô ta hỏi.
“Tôi cực kỳ phấn khích vì cuối cùng tôi đã có thể tìm ra câu đố, bởi vì nó rất khó,” Stellwagen nói. Mặc dù đó là một thách thức lớn hơn nhiều so với dự kiến của cô, “Cuối cùng chúng tôi đã học được rất nhiều, và tôi rất vui khi đưa nó ra cho người tiếp theo đang cố gắng giải quyết một số gen lố bịch.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Maryland County County . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :