Кіріспе

ДНҚ репликациясы – ДНҚ синтезі – дезоксирибонуклеин қышқылының (ДНҚ) молекулаларының табиғи немесе жасанды жасалуы. ДНҚ – қайталанатын құрылымда ковалентті байланыстар мен сутекті байланыстар арқылы байланысқан нуклеотидтік бірліктерден тұратын макромолекула. ДНҚ синтезі осы нуклеотидтік бірліктер ДНҚ-ны құру үшін қосылған кезде жүзеге асады; бұл жасанды түрде (in vitro) немесе табиғи түрде (in vivo) болуы мүмкін. Нуклеотидтік бірліктер азотты негізден (цитозин, гуанин, аденин немесе тимин), пентоза қантынан (дезоксирибозадан) және фосфат тобынан тұрады. Әрбір бірлік, фосфат тобы мен келесі нуклеотидтің пентоза қанты арасында ковалентті байланыс пайда болған кезде қосылады, нәтижесінде қант-фосфат тірекшесі қалыптасады. ДНҚ – екі тізбекті, бірін-бірі толықтыратын құрылым, себебі нуклеотидтік негіздер арасында сутекті байланыстар пайда болғанда, нақты негіздер жұптасуы (аденин және тимин, гуанин және цитозин) табиғи түрде жүзеге асады. ДНҚ синтезіне қатысты бірнеше анықтама бар: ол ДНҚ репликациясын, ДНҚ биосинтезін (in vivo ДНҚ амплификациясын), полимераза тізбектік реакциясын (ПТР) – ферменттік ДНҚ синтезін (in vitro ДНҚ амплификациясын) немесе ген синтезін – жасанды ген тізбектерін физикалық түрде құруды қамти алады. Синтездің әр түрі өзгеше болғанымен, олардың ортақ белгілері де бар. Полинуклеотидтерді құру үшін қосылған нуклеотидтер ДНҚ синтезінің бір түрі үшін, яғни ПТР үшін ДНҚ үлгісі ретінде қолданылуы мүмкін. ДНҚ репликациясы да ДНҚ үлгісін пайдаланады, репликация кезінде ДНҚ-ның екі тізбегі ашылады, жаңа нуклеотидтерге арналған жұптаспаған негіздер сутекті байланысқа дайындалады. Дегенмен, ген синтезіне ДНҚ үлгісі қажет емес, гендер бастапқыдан (de novo) құрастырылады. ДНҚ синтезі барлық эукариоттар мен прокариоттарда, сондай-ақ кейбір вирустарда кездеседі. ДНҚ-ның дұрыс синтезі ДНҚ-дағы мутацияларды болдырмау үшін маңызды. Адамдарда мутациялар қатерлі ісіктер сияқты ауруларға алып келуі мүмкін, сондықтан ДНҚ синтезі және оған қатысты in vivo механизмдер ондаған жылдар бойы жан-жақты зерттелді. Болашақта бұл зерттеулер деректерді сақтау саласында қолданылатын ДНҚ синтезіне қатысты технологияларды әзірлеуге пайдалы болуы мүмкін.

ДНҚ репликациясы

Табиғатта ДНК молекулалары барлық тірі жасушалар арқылы ДНК репликациясы процесі арқылы синтезделеді. Бұл әдетте жасуша бөлінуінің бір бөлігі ретінде жүзеге асады. ДНК репликациясы жасуша бөліну кезінде клетканың әр ұл клеткасында оның генетикалық материалының дәл көшірмесін қамтамасыз етеді. In vivo ДНК синтезі (ДНК репликациясы) жасуша циклінің S фазасында үйлесімді түрде әрекет ететін, эволюциялық дамыған ферменттердің күрделі жиынтығына тәуелді. Эукариоттарда да, прокариоттарда да ДНК репликациясы белгілі бір топоизомеразалар, геликазалар және гиразалар (репликацияны бастаушы ақуыздар) екі тізбекті ДНК-ны айналдырып, азотты негіздерді ашыққа шығарғанда жүреді. Бұл ферменттер, қосымша ақуыздармен бірге, ДНК тізбектерінің дәл дубликациясын қамтамасыз ететін макромолекулалық машинаны құрайды. Толықтыратын негіздер жұптасып, жаңа екі тізбекті ДНК молекуласын құрайды. Бұл жартылай консервативті репликация деп аталады, себебі жаңа ДНК молекуласының бір тізбегі 'аналық' тізбектен алынған. Эукариоттық ферменттер үнемі ДНК зақымдануына ұшырайды, бұл ДНК репликациясын бұзуы мүмкін. Бұл зақымданулар ДНК-ны зақымдайтын факторлардың әсерінен немесе спонтанды түрде туындайтын ДНК зақымдары түрінде болуы мүмкін. Сондықтан ДНК репликация механизмі зақымдану кездескенде ыдыраудың алдын алу үшін қатаң түрде бақыланады. ДНК репликация жүйесін бақылау геномның әр циклде бір рет ғана көшірілуін қамтамасыз етеді; көшірудің шамадан тыс болуы ДНК зақымдануын тудырады. ДНК репликациясының бұзылуы қатерлі ісік дамуы кезінде геномдық тұрақсыздықтың маңызды факторы болып табылады. Бұл in vivo ДНК синтездеу механизмінің ерекшелігін көрсетеді. Табиғи ДНК-ның репликациясын жасанды түрде ынталандыруға немесе жасанды ген тізбектерін жасауға әртүрлі тәсілдер бар. Дегенмен, in vitro ДНК синтезі өте қателікті болуы мүмкін.

ДНҚ-ның жөндеу синтезі

Зақымдалған ДНК бірнеше түрлі ферменттік жөндеу процестері арқылы жөнделеді, әрбір жеке процесс нақты зақымдану түрлерін жөндеуге қалыптасқан. Адам ДНК-сы көптеген табиғи көздерден зақымдануға ұшырайды, ал жөндеудің жеткіліксіздігі аурулар мен ерте қартаюмен байланысты. ДНК жөндеу процестерінің көпшілігі жөндеудің аралық сатысында ДНК-да бір талшықты үзілістер жасайды, ал осы үзілістер жөндеу синтезі арқылы толтырылады.

Полимеразаның тізбекті реакциясы

Полимераза тізбектік реакциясы – лаборатория жағдайында ДНҚ-ның ферменттік синтезінің бір түрі. Ол ДНҚ-ны еріту және ДНҚ-ның ферменттік көшірмесін жасау үшін реакцияны қайталап қыздыру және салқындату циклдарын қолданады. ПТР кезіндегі ДНҚ синтезі тірі жасушалардағы синтезге өте ұқсас, бірақ нақты реагенттер мен жағдайлармен жүзеге асырылады. ПТР барысында ДНҚ иесі-шаперон ақуыздарынан химиялық түрде бөлініп алынып, кейін қыздырылады, нәтижесінде ДНҚ жіптері термиялық диссоциацияға ұшырайды. Түпкілік жіптен екі жаңа кДНК жіптері құрастырылады, олар келесі ПТР өнімдері үшін матрица ретінде қайтадан бөліне алады. Түпкілік ДНҚ көптеген ПТР циклдары арқылы көбейтіледі.

РТ-ПТР

RT ПТР, дәстүрлі ПТР-ден мРНК-дан сДНҚ синтездеу арқылы ерекшеленеді, ал дәстүрлі ПТР үлгілік ДНҚ қолданады. Бұл техника кері транскрипция реакциясын ПТР-ге негізделген күшейтумен байланыстырады, себебі РНК тізбегі кері транскриптаза ферменті үшін матрица болып табылады. RT ПТР көбінесе нақты тіндер мен жасуша түрлеріндегі гендік экспрессияны, дамудың әртүрлі кезеңдерінде немесе генетикалық ауруларды анықтау үшін қолданылады.

Гендер синтезі

Жасанды ген синтезі – бастапқы ДНҚ үлгілерінің қажеті болмай, құрамында генді синтездеу процесі. 2010 жылы Дж. Крейг Вентер және оның командасы алғаш рет толығымен синтезделген ДНҚ-ны пайдаланып, Mycoplasma laboratorium деп аталған өзін-өзі көбейтіп жасайтын микробты құрды. Кейбір зерттеулер терминал дезоксинуклеотидил трансферазасын (TdT) қолдану арқылы ферменттік синтез мүмкіндігін қарастырды, бұл ДНҚ полимеразасы үлгіні қажет етпейді. Дегенмен, бұл әдіс химиялық синтездей тиімді емес және коммерциялық қолжетімділікте жоқ. Жасанды ДНҚ синтезінің жетістіктерімен бірге ДНҚ деректерін сақтау мүмкіндігі зерттелуде. Өте жоғары сақтау тығыздығымен және ұзақ мерзімді тұрақтылығымен синтетикалық ДНҚ үлкен көлемдегі деректерді сақтау үшін перспективалы нұсқа болып табылады. Ақпаратты ДНҚ-дан жаңа буын секвенирлеу технологиялары арқылы өте жылдам алуға болатындықтан, ДНҚ-ның де ново синтезі осы процестегі маңызды кедергі болып табылады. Әр циклда тек бір нуклеотид қосылады, әр цикл секундтарға созылады, сондықтан жалпы синтез өте көп уақытты алады және қателерге бейім. Бірақ, биотехнология жетілдірілсе, синтетикалық ДНҚ болашақта деректерді сақтау үшін қолданылуы мүмкін.

Базалық жұп синтезі

Жаңа нуклеобазалық жұптар, АТ (аденин-тимин) және ГС (гуанин-цитозин) сияқты, синтезделуі мүмкін екені хабарланды. Синтетикалық нуклеотидтер генетикалық әліпбиді кеңейтуге және ДНК участақтарын нақты өзгертуге пайдаланылуы мүмкін. Тіпті үшінші негіз жұбы болғанымен, ДНК-мен кодталатын аминқышқылдарының саны қазіргі 20-дан 172-ге дейін өседі. Хачимоджи ДНК-сы сегіз нуклеотидтік әріптен тұрады, олар төрт мүмкін негіз жұбын құрайды. Осылайша, ол табиғи ДНК-ның ақпарат тығыздығын екі есе арттырады. Зерттеулер барысында хачимоджи ДНК-дан РНК да жасалды. Бұл технология ДНК-да дерек сақтау үшін де қолданылуы мүмкін.