La synthèse génique est le processus biologique de construction et d'assemblage de nouveaux gènes à partir de nucléotides de novo. La synthèse de gènes artificiels, ou synthétiques, diffère de la synthèse d'ADN qui se déroule au sein des cellules vivantes. La principale différence réside dans le fait qu'elle ne nécessite pas d'ADN prototype. Elle permet la création de molécules d'ADN synthétiques sans limite de taille ni de séquence de nucléotides. De plus, il est possible de copier et de synthétiser n'importe quelle séquence, qu'elle soit naturelle ou non. L'étude et les progrès réalisés dans le domaine de la synthèse génique ont permis des avancées considérables en biologie, permettant désormais aux scientifiques de reprogrammer facilement des génomes et des cellules entiers.
Les avantages scientifiques de la synthèse génétique comprennent :
- La synthèse génétique a été utilisée par les chercheurs pour identifier les conditions dans lesquelles les cellules tumorales du cancer du sein se multiplient. Cela a constitué une base pour la création de thérapies capables de traiter efficacement le cancer.
- Lorsque les scientifiques effectuent le séquençage viral à l’aide de la synthèse artificielle de gènes, ils produisent des vaccins à base d’ADN plus sûrs et plus efficaces.
- La variante de rhodopsine de Chanel permet d'activer les neurones du cerveau profond grâce à une activation optique non invasive.
- Les biologistes végétaux peuvent utiliser la synthèse génétique pour étudier la reprogrammation développementale des tissus vasculaires des plantes. Lors de la réalisation de telles études, la congélation peut être utilisée pour contribuer à préserver les échantillons de gènes. Avec ça en tête, Découvrez ces lyophilisateurs idéales pour préserver les matériaux sensibles à la température.
Étapes suivies dans la synthèse génétique
Les scientifiques suivent un processus en cinq étapes lorsqu’ils effectuent la synthèse génétique. Les cinq étapes sont les suivantes :
- Conception d'oligo et optimisation de séquence
- Synthèse d'oligo
- Assemblage de gènes
- Vérification et correction
- Préparation de l'ADN synthétique
1. Conception d'oligo et optimisation de séquence
La première étape du processus consiste à choisir le gène qui vous intéresse. Après avoir isolé le gène, vous devrez créer la séquence que vous souhaitez synthétiser. Par exemple, si vous souhaitez maximiser les niveaux d’expression de protéines hétérologues, la voie idéale à suivre est d’optimiser les codons. D’un autre côté, ce processus pourrait ne pas être utile si vous souhaitez étudier la régulation interne de l’expression des gènes. Voici les outils les plus populaires utilisés pour le processus de conception Oligo, ainsi que leurs avantages et inconvénients :
- L’ADN fonctionne : il est facile à utiliser et peut prédire le résultat d’une méshybridation d’Oligo. Cependant, les scores basés sur la simulation pourraient ne pas offrir une représentation précise de la réussite réelle de l'assemblage.
- Gene2Oligo : L'interface est facile à utiliser et dispose d'assemblages basés sur LCR et PCR. En revanche, cela ne sera pas utile si votre gène fait plus d’un kilo-octet.
- TMPrime : TMPrime : Il propose des assemblages basés sur LCR et PCR et une large gamme de températures de fusion et de recuit. Le seul inconvénient est que les utilisateurs inexpérimentés pourraient trouver l’interface compliquée. Les utilisateurs doivent comprendre divers paramètres d'entrée pour des soumissions précises.
Lorsque vous finalisez la séquence à synthétiser, l’étape suivante consiste à diviser le gène en fragments plus petits à synthétiser et à assembler. Les facteurs qui affectent cette étape comprennent la longueur de l'oligo, la tendance à la formation d'épingles à cheveux et les répétitions de séquence.
2. Synthèse d'oligo
La première étape de la synthèse de l’ADN consiste à former de courts oligonucléotides. Les scientifiques y parviennent en utilisant la chimie des phosphoramidites pour additionner des monomères nucléotidiques. La chimie des phosphoramidites est bénéfique car elle empêche le brin en croissance de s'engager dans des réactions indésirables pendant le processus de formation. Ils combinent le groupe phosphoramidite au 3'O pour éviter les ramifications indésirables lors de la formation. Le groupe phosphoramidite contient de la diisopropylamine, qui offre une protection et du phosphite méthylé. Le cycle de réaction du phosphoramidite en quatre étapes est le suivant :
- Déprotection : Ici, ils éliminent le DMT par lavage avec un acide doux tel que l'acide trichloroacétique. Cela expose le 5'O aux réactions.
- Couplage : Le 3'O du deuxième nucléotide se lie au 5'O du premier nucléotide.
- Coiffage : ici, tous les 5'OH de tout nucléotide qui n'a pas été acolyté sont utiles de telle manière qu'il ne s'engage pas dans des réactions indésirables plus tard dans le processus.
- Oxydation : Ici, ils ajoutent de l'iode, formant une liaison phosphodiester à partir de la liaison phosphate triester, ce qui conduit à la création du squelette de l'ADN.
Les experts réalisent cette étape à l'aide d'une colonne de laboratoire ou d'un synthétiseur spécialisé.
3. Assemblage de gènes
L’étape vise à assembler les oligos fragmentés en gènes complets ou en éléments constitutifs des génomes. Quatre types d'assemblage sont utiles dans l'assemblage de gènes. L’efficacité de la méthode d’assemblage de gènes dépend de la longueur de la séquence que l’on souhaite combiner. Les méthodes d'assemblage les plus courantes sont :
- Réaction en chaîne par ligase ou LCR : ils utilisent l’ADN ligase pour joindre les extrémités qui se chevauchent des oligos synthétiques.
- Assemblage de chaîne de polymérase : ils combinent tous les oligos à un brin dans un seul tube, puis effectuent un thermocyclage pour faciliter l'assemblage.
- Recombinaison homologue in vivo chez la levure : Idéale pour les longs brins de nucléotides allant jusqu'à 200 nucléotides et 1000 XNUMX Bp.
- Clonage indépendant de la séquence et de la ligature : ils utilisent un vecteur plasmidique pour assembler jusqu'à cinq fragments de gènes. Pour ce faire, ils l’incorporent dans le vecteur plasmidique.
4. Vérification et correction
La quatrième étape consiste à vérifier la séquence créée et à rectifier les erreurs qui auraient pu survenir au cours du processus. Cela implique également de tester toutes les séquences avant de les mettre en service. Toutes les séquences comportant des mutations sont supprimées du pool collecté. Les autres processus qui font partie du contrôle qualité comprennent :
- Insertions
- Suppressions
- Terminaison prématurée
Parfois, les experts ne peuvent pas obtenir la séquence correcte à partir du pool d’ADN synthétisé pour l’amplification. Ici, ils utilisent diverses méthodes pour détecter et corriger les erreurs. Les scientifiques pourraient décider de recourir à une hybridation rigoureuse d’Oligos soigneusement conçus. Ils pourraient également opter pour l’électrophorèse comme méthode de purification exhaustive. Une autre option viable est la spectrométrie de masse. La méthode biochimique qu’ils utilisent dépend de leur capacité à purifier l’ADN.
D'autres méthodes qu'ils utilisent incluent la liaison par mésappariement, également connue sous le nom de clivage par mésappariement. Ici, ils utilisent des endonucléases procaryotes, un processus dans lequel des tests fonctionnels sont utilisés pour corriger les séquences correctes.
Avant de se lancer dans le processus, il convient de comprendre que seulement un tiers environ du produit total synthétisé aura la qualité souhaitée. Pour simplifier le processus, ils clonent uniquement les brins qui ne comportent aucune erreur. Travailler avec un laboratoire ou un programme qui comprend
5. Préparation de l'ADN synthétique
C'est la dernière étape du processus. Ici, l’ADN synthétique est préparé pour les applications en aval. Plusieurs processus font partie de cette préparation pour les applications utilisateur :
- Clonage : Ils clonent les gènes synthétiques dans des vecteurs utiles qui incluent des vecteurs plasmidiques ou viraux. Parfois, les experts conçoivent des gènes synthétiques qui restreignent les sites enzymatiques, les bras recombinants et d’autres séquences adjacentes.
- Propagation : Les gènes synthétiques sont difficiles à propager pour plusieurs raisons. Premièrement, les experts ont du mal à amplifier des constructions plasmidiques à faible nombre de copies à l’aide d’hôtes bactériens. En outre, certains gènes modifient la physiologie de leurs hôtes et, enfin, les gènes longs épuisent la cellule hôte en raison de la charge énergétique qu'ils exercent sur elle. Parfois, les experts sont confrontés à des gènes toxiques chez certains hôtes et inoffensifs chez d’autres. Les scientifiques tenteront d’identifier l’hôte bactérien idéal pour le succès du processus de propagation.
- Biosécurité : Enfin, les organismes concernés recevront des rapports sur le processus utilisé, évalueront les preuves et détermineront si le produit obtenu est sans danger pour la population générale. Le Comité consultatif sur l'ADN recombinant, par exemple, examine les protocoles pour s'assurer que la sécurité est respectée et que le produit ne présentera aucun risque pour l'environnement.
Conclusion
La synthèse génétique est très bénéfique lorsqu’elle est effectuée correctement. Ces cinq étapes vous guideront tout au long du processus. Si vous envisagez de créer un gène synthétique dans un but quelconque, assurez-vous de contacter des experts afin de vous assurer que vous suivez la bonne étape dans l'ordre le plus précis.