Введение

В молекулярной биологии библиотека – это совокупность фрагментов генетического материала, которые хранятся и размножаются в популяции микроорганизмов посредством молекулярного клонирования. Существуют различные типы библиотек ДНК, включая кДНК-библиотеки (создаваемые на основе обратной транскрипции РНК), геномные библиотеки (создаваемые из геномной ДНК) и библиотеки случайных мутантов (создаваемые путем de novo синтеза генов, с использованием альтернативных нуклеотидов или кодонов). Технология создания библиотек ДНК является основой современной молекулярной биологии, генетической и белковой инженерии, а области применения этих библиотек зависят от источника исходных фрагментов ДНК. Векторы клонирования и методики, используемые при создании библиотек, могут различаться, но в общем случае каждый фрагмент ДНК уникально встраивается в вектор клонирования, а пул рекомбинантных молекул ДНК затем переносится в популяцию бактерий (бактериальную искусственную хромосому или BAC-библиотеку) или дрожжей, так что каждый организм содержит в среднем одну конструкцию (вектор + вставка). При росте популяции организмов в культуре содержащиеся в них молекулы ДНК копируются и размножаются (то есть клонируются).

Терминология

Термин "библиотека" может относиться к популяции организмов, каждый из которых содержит молекулу ДНК, вставленную в клонирующий вектор, или, альтернативно, к совокупности всех клонированных векторных молекул.

Библиотеки синтетических мутантов

В отличие от описанных выше типов библиотек, существует множество искусственных методов создания библиотек вариантов генов. Вариации в гене могут быть внесены случайным образом с помощью ПЦР с ошибками, перемешивания ДНК для рекомбинации фрагментов сходных генов или методов на основе транспозонов для введения вставок и делеций. Альтернативно, мутации могут быть направлены на конкретные кодоны в процессе de novo синтеза или насыщенного мутагенеза для контролируемого создания одного или нескольких точечных мутантов гена. Это приводит к смеси двухцепочечных молекул ДНК, представляющих собой варианты исходного гена. Белки, экспрессируемые из этих библиотек, затем можно отбирать по вариантам, демонстрирующим желаемые свойства (например, стабильность, аффинность связывания или ферментативную активность). Этот процесс можно повторять циклически, создавая варианты генов и отбирая продукты экспрессии в процессе направленной эволюции.

Экстракция ДНК

При создании библиотеки мРНК (то есть с кДНК-клонами) существует несколько возможных протоколов для выделения мРНК полной длины. Для выделения ДНК для библиотеки геномной ДНК (также известной как гДНК) может оказаться полезным мини-набор для выделения ДНК.

Подготовка инсерта

Библиотеки кДНК требуют тщательного подхода для обеспечения получения полноразмерных клонов мРНК в виде кДНК (которые впоследствии будут встраиваться в векторы). Для этого разработано несколько протоколов, оптимизирующих синтез первой и второй цепей кДНК, а также повышающих вероятность направленного клонирования в вектор. Фрагменты геномной ДНК получают из выделенной геномной ДНК с помощью неспецифических эндонуклеаз рестрикции, разрезающих ДНК часто.

Векторы

Нуклеотидные последовательности, представляющие интерес, сохраняются в виде вставок в плазмиду или геном бактериофага, который использовался для инфицирования бактериальных клеток. Векторы чаще всего размножаются в бактериальных клетках, но при использовании YAC (искусственной хромосомы дрожжей) можно использовать клетки дрожжей. Векторы также могут размножаться в вирусах, но это может быть трудоемким и утомительным процессом. Однако высокая эффективность трансфекции, достигаемая при использовании вирусов (часто фагов), делает их полезными для упаковки вектора (с лигированной вставкой) и последующего введения его в бактериальную (или дрожжевую) клетку. Кроме того, для кДНК-библиотек разработана система с использованием фага Lambda Zap II, ExAssist и двух видов E. coli. Вместо этого также может быть использована система Cre-Lox, использующая сайты loxP и in vivo экспрессию рекомбиназного фермента. Это примеры систем вырезания in vivo. Вырезание in vitro включает субклонирование, часто с использованием традиционных рестрикционных ферментов и стратегий клонирования. Вырезание in vitro может быть более трудоемким и требовать больше ручной работы, чем системы вырезания in vivo. В любом случае, эти системы обеспечивают перемещение вектора из фага в живую клетку, где вектор может реплицироваться и размножаться до момента использования библиотеки.

Использование библиотек

Это включает в себя поиск интересующих последовательностей. Существует несколько возможных методов для этого.