Codul vieții descifrat pentru Știință
Studiul tuturor genelor diferitelor organisme va oferi informații despre originea vieții.
Genomul uman conține toate instrucțiunile biochimice necesare dezvoltării și funcționării unei ființe umane. Aceste instrucțiuni sunt codificate de grupuri chimice, numite baze, care sunt de patru tipuri: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T).
Everard Williams, Jr.
Când istoricii analizează sfârșitul secolului al XX-lea, vor descoperi că unul dintre principalele progrese științifice ale vremii a fost determinarea informațiilor genetice responsabile de viața umană. Proiectul genomului uman, care își propune să identifice toate genele și să analizeze, literă cu literă, mesajul vieții, va avea repercusiuni în toate ramurile biologiei. Secvențierea completă a ADN-ului diferitelor organisme, inclusiv a oamenilor, va oferi răspunsuri la întrebări fundamentale: Cum au evoluat organismele? Vom putea într-o bună zi să facem un organism viu? Cum se tratează bolile?
Proiectul genomului uman a adus deja recolte fără precedent de rezultate în biologie. Toți constituenții ADN-ului uman, bazele, abia se încadrează în 200 de directoare telefonice, ca să nu mai vorbim de adnotările care descriu pentru ce sunt utilizate aceste secvențe de ADN. Până în primăvara anului 2000, ar fi trebuit să decodificăm 90% din ADN-ul uman, iar secvența completă este programată pentru 2003. Cu toate acestea, vom avea doar o bază aici, deoarece va rămâne să găsim nenumăratele adnotări care îi dau sensul. informații genetice. Lucrarea fundamentală va da roade numai atunci când vom înțelege rolul proteinelor codificate de toate aceste gene.
Multe proteine sunt elemente esențiale ale organismului uman; altele sunt enzime, care controlează reacțiile biochimice ale vieții. Acestea sunt lanțuri ale căror verigi sunt aminoacizi; fiecare lanț se pliază, adoptând o structură care îi determină funcția. Succesiunea bazelor, în ADN-ul unei gene, codifică ordinea aminoacizilor proteinelor formate din această genă. Producția de proteine necesită molecule intermediare, ARN, iar genele care produc ARN se spune că „se exprimă”.
Proiectul genomului uman are mai multe obiective: vrea să descopere toate proteinele produse într-o ființă umană și să înțeleagă mecanismele de reglare a expresiei genelor, variația acestor gene în funcție de specie și în cadrul aceleiași specii și relațiile dintre genomul (genotipul) și caracterele observabile (fenotipul). Toate informațiile acumulate din secvențele de ADN vor fi terenul de reproducere pentru descoperirile din secolul următor: cu cât învățăm mai multe despre acest ADN, cu atât putem face mai multe ipoteze și cu atât vom înțelege mai bine viața.
În jurul anului 2050, genomica va răspunde probabil la diferite întrebări esențiale: putem prezice structura tridimensională a proteinelor din secvențele lor de aminoacizi? Vom putea crea forme de viață artificiale? Care este rolul precis al genelor de dezvoltare? Cunoașterea întregului genom va îmbunătăți prevenirea, diagnosticul și tratamentul bolilor?
Să luăm la rândul nostru aceste întrebări.
Cele șase miliarde de baze ale genomului uman codifică aproximativ 100.000 de proteine. Deși secvența de aminoacizi a unei proteine este tradusă într-o singură etapă, din secvența unei gene, nu știm încă cum să prezicem forma proteinelor, iar studiul experimental al structurii lor rămâne dificil. Cu toate acestea, structurile proteice au fost mult mai bine „conservate” (au rămas aproape constante în timpul evoluției) decât secvențele de aminoacizi în sine. Deoarece diferite secvențe de aminoacizi formează molecule cu structuri similare, se speră să găsească structura multor proteine, studiind în detaliu câteva proteine reprezentative.
Structura proteinelor
Recent, mai mulți specialiști în structura proteinelor au lansat o „Inițiativă de studiu a structurii proteinelor”, pentru a grăbi rezolvarea acestei probleme. Aceștia analizează conformația proteinelor, fie prin cristalizarea proteinelor purificate și studierea difracției acestor cristale prin raze X, fie prin analizarea lor prin rezonanță magnetică nucleară. Aceste analize sunt lungi și costisitoare. Grupul dorește să optimizeze studiul noilor structuri pe baza cunoștințelor deja dobândite pe structuri strâns legate și intenționează să grupeze proteinele în familii care ar avea aceleași caracteristici arhitecturale. Apoi, vom alege să analizăm proteinele reprezentative ale fiecărei familii prin cele mai elaborate metode fizice.
Când catalogul structurilor cunoscute se extinde, vom putea grupa diferitele proteine după structuri comune, pentru a modela structura proteinelor care vor fi apoi descoperite sau inventate. Biologii estimează numărul modelelor de pliere a proteinelor de bază la aproximativ 1.000; rezolvarea a 3.000 la 5.000 de structuri (pe lângă cele deja cunoscute) ar fi probabil suficientă pentru a deduce structura oricărei proteine noi. Deoarece 1.000 de structuri proteice sunt elucidate în fiecare an, la o rată care, fără îndoială, se va accelera, inventarul conformațiilor proteice ar trebui finalizat la scurt timp după sfârșitul secvențierii genomului uman.
Viața artificială
Se poate spera să clasifice proteinele în funcție de structura lor datorită mecanismelor biologice de evoluție și, chiar, apariției vieții pe Pământ. Vom căuta dacă există o clasă de proteine comune tuturor organismelor și care sunt reacțiile biochimice esențiale vieții.
Mai multe genome au fost deja complet secvențiate (în principal genomuri bacteriene), iar biologii, interesați de originea vieții, au început să inventarieze genele conservate printre bacterii.
În câțiva ani, probabil vom avea un repertoriu al produsului tuturor genelor (sub formă de ARN sau proteine) esențiale pentru viață; putem fabrica apoi organisme din secvențe de bază ADN pe care le putem imagina lanțul și care vor codifica proteine noi, de asemenea, inventate. Dacă acest genom artificial intră într-o celulă care se reproduce corect, experiența va dovedi că biologia a descifrat mecanismele de bază ale vieții. În mod evident, compania ridică probleme de siguranță și etică.
Vom putea construi un model electronic al unei celule vii, o „celulă computerizată”? Celulă care va ține cont de toți constituenții celulei? Dintre toate interacțiunile biochimice? Și cine va calcula cu exactitate consecințele unui stimul aplicat acestuia?
În ultimii 50 de ani, biologii și-au concentrat cercetările asupra unei singure gene sau a unei singure proteine. În următorii 50 de ani, ei vor studia în schimb funcțiile genelor, interacțiunile lor și rolul mediului asupra exprimării lor.
Desigur, biologii au căutat mult timp să descrie interacțiunile diferiților constituenți celulari. Cum controlează factorii de transcripție, moleculele care se atașează la anumite segmente de ADN, expresia genelor? Cum insulina, care se leagă de receptorii de pe suprafața celulelor musculare, declanșează o serie de reacții în aceste celule care măresc numărul de transportori de glucoză din membrana celulară? Când secvențierea genomului este finalizată, acest tip de întrebare va fi pus pentru mii de gene și constituenți celulari. Când toate genele au fost identificate, când toate interacțiunile și reacțiile celulare au fost clarificate, farmacologii care cercetează medicamente și toxicologii care determină toxicitatea noilor molecule vor folosi, fără îndoială, programe sau „modele de celule”, pentru a afla dacă o moleculă are proprietăți terapeutice sau dacă este toxic.