# 12.3: Njia zote za Jenome na Matumizi ya Viwanda

$$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$$ $$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$$$$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$$ $$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$$ $$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$$ $$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$$ $$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$$ $$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$$ $$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$$ $$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$$ $$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$$ $$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$$ $$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$$ $$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$$ $$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$$

Malengo ya kujifunza

• Eleza matumizi ya uchambuzi wa genome kote kulinganisha
• Muhtasari faida za bidhaa za dawa za maumbile

Maendeleo katika biolojia ya molekuli yamesababisha kuundwa kwa nyanja mpya kabisa za sayansi. Miongoni mwa hizi ni mashamba ambayo yanasoma mambo ya genomes nzima, kwa pamoja inajulikana kama mbinu nzima-genome. Katika sehemu hii, tutaweza kutoa maelezo mafupi ya mashamba nzima-genome ya genomics, transcriptomics, na proteomics.

#### Jenomu, Transcriptomics, na Proteomics

Utafiti na kulinganisha kwa genomes nzima, ikiwa ni pamoja na seti kamili ya jeni na mlolongo wao wa nucleotide na shirika, inaitwa genomics. Sehemu hii ina uwezo mkubwa wa maendeleo ya matibabu ya baadaye kupitia utafiti wa jenomu ya binadamu pamoja na genomes ya viumbe vya kuambukiza. Uchambuzi wa genomes microbial umechangia maendeleo ya antibiotics mpya, zana za uchunguzi, chanjo, matibabu, na mbinu za kusafisha mazingira.

Sehemu ya transcriptomics ni sayansi ya mkusanyiko mzima wa molekuli za mRNA zinazozalishwa na seli. Wanasayansi wanalinganisha mifumo ya kujieleza jeni kati ya seli za jeshi zilizoambukizwa na zisizoambukizwa, kupata taarifa muhimu kuhusu majibu ya seli kwa magonjwa ya kuambukiza. Zaidi ya hayo, transcriptomics inaweza kutumika kufuatilia usemi wa jeni wa mambo virulence katika microorganisms, kusaidia wanasayansi katika kuelewa vizuri michakato ya pathogenic kutokana na mtazamo huu.

Wakati genomics na transcriptomics zinatumika kwa jamii nzima za microbial, tunatumia maneno metagenomics na metatranscriptomics, kwa mtiririko huo. Metagenomics na metatranscriptomics kuruhusu watafiti kujifunza jeni na kujieleza jeni kutoka mkusanyiko wa aina mbalimbali, wengi ambayo inaweza kuwa urahisi cultured au cultured wakati wote katika maabara. Microarray ya DNA (iliyojadiliwa katika sehemu ya awali) inaweza kutumika katika masomo ya metagenomics.

Mwingine up-na-kuja matumizi ya kliniki ya genomics na transcriptomics ni pharmacogenomics, pia hujulikana toxicogenomics, ambayo inahusisha kutathmini ufanisi na usalama wa madawa ya kulevya kwa misingi ya taarifa kutoka mlolongo genomic ya mtu binafsi. Majibu ya jenomu kwa madawa ya kulevya yanaweza kusomwa kwa kutumia wanyama wa majaribio (kama vile panya za maabara au panya) au seli za kuishi katika maabara kabla ya kujiingiza masomo na binadamu. Mabadiliko katika kujieleza jeni mbele ya madawa ya kulevya wakati mwingine inaweza kuwa kiashiria mapema ya uwezekano wa madhara ya sumu. Maelezo ya mlolongo wa genome ya kibinafsi yanaweza kutumika siku moja kuagiza dawa ambazo zitakuwa na ufanisi zaidi na zisizo na sumu kwa misingi ya genotype ya mgonjwa binafsi.

Utafiti wa proteomics ni ugani wa genomics ambayo inaruhusu wanasayansi kujifunza msaidizi mzima wa protini katika kiumbe, kinachoitwa proteome. Japokuwa seli zote za kiumbe cha seli nyingi zina seti moja ya jeni, seli katika tishu mbalimbali huzalisha seti tofauti za protini. Hivyo, genome ni mara kwa mara, lakini proteome inatofautiana na ina nguvu ndani ya kiumbe. Proteomiki inaweza kutumika kujifunza ni protini zipi zinaonyeshwa chini ya hali mbalimbali ndani ya aina moja ya seli au kulinganisha mifumo ya kujieleza protini kati ya viumbe tofauti.

Ugonjwa maarufu zaidi unaojifunza na mbinu za proteomic ni kansa, lakini eneo hili la utafiti pia linatumika kwa magonjwa ya kuambukiza. Kwa sasa utafiti unaendelea kuchunguza uwezekano wa kutumia mbinu za proteomic kutambua aina mbalimbali za hepatitis, kifua kikuu, na maambukizi ya VVU, ambayo ni vigumu kutambua kwa kutumia mbinu zilizopo sasa. 1

Uchambuzi wa hivi karibuni na unaoendelea wa proteomiki unategemea kutambua protini zinazoitwa biomarkers, ambazo usemi wake unaathiriwa na mchakato wa ugonjwa huo. Kwa sasa biomarkers zinatumika kuchunguza aina mbalimbali za saratani pamoja na maambukizi yanayosababishwa na vimelea kama vile Yersinia pestis na virusi vya Vaccinia. 2

Sayansi nyingine za “-omic” zinazohusiana na genomiki na proteomiki ni pamoja na metabolomiki, glycomics, na lipidomiki, ambazo huzingatia seti kamili ya metaboli ndogo za molekuli, sukari, na lipidi, kwa mtiririko huo, zinazopatikana ndani ya seli. Kupitia mbinu hizi mbalimbali za kimataifa, wanasayansi wanaendelea kukusanya, kukusanya, na kuchambua kiasi kikubwa cha habari za maumbile. Sehemu hii inayojitokeza ya bioinformatics inaweza kutumika, kati ya maombi mengine mengi, kwa dalili za kutibu magonjwa na kuelewa kazi za seli.

Zaidi ya hayo, watafiti wanaweza kutumia genetics reverse, mbinu kuhusiana na uchambuzi classic mutational, kuamua kazi ya jeni maalum. Mbinu za kawaida za kusoma kazi ya jeni zilihusisha kutafuta jeni zinazohusika na phenotype iliyotolewa. Reverse genetics hutumia mbinu kinyume, kuanzia na mlolongo maalum wa DNA na kujaribu kuamua nini phenotype inazalisha. Vinginevyo, wanasayansi wanaweza kuunganisha jeni inayojulikana (inayoitwa jeni ya mwandishi) ambazo zinajumuisha sifa zinazoonekana kwa urahisi kwa jeni za riba, na eneo la usemi wa jeni hizo za riba zinaweza kufuatiliwa kwa urahisi. Hii inatoa mtafiti taarifa muhimu kuhusu nini bidhaa jeni inaweza kuwa kufanya au ambapo iko katika viumbe. Mwandishi wa kawaida jeni ni pamoja na bakteria LaCz, ambayo encodes beta-galactosidase na shughuli zake zinaweza kufuatiliwa na mabadiliko katika rangi ya koloni mbele ya X-gal kama ilivyoelezwa hapo awali, na jeni encoding protini jellyfish kijani fluorescent protini (GFP) ambao shughuli inaweza visualized katika makoloni chini ya yatokanayo na mwanga wa ultraviolet ($$\PageIndex{1}$$

Zoezi$$\PageIndex{1}$$

1. Je, genomics ni tofauti gani na maumbile ya jadi?
2. Ikiwa unataka kujifunza jinsi seli mbili tofauti katika mwili zinavyoitikia maambukizi, ni shamba gani -omics ungependa kuomba?
3. Je, biomarkers ni wazi katika proteomics kutumika kwa ajili ya?

Mtazamo wa Hospitali

Kwa sababu dalili za Kayla ziliendelea na kali za kutosha kuingilia kati shughuli za kila siku, daktari wa Kayla aliamua kuagiza baadhi ya vipimo vya maabara. Daktari huyo alikusanya sampuli za damu ya Kayla, ugiligili wa cerebrospinal (CSF), na maji ya synovial (kutoka kwa magoti yake ya kuvimba) na kuomba uchambuzi wa PCR kwenye sampuli zote tatu. Vipimo vya PCR kwenye CSF na maji ya synovial vilirudi chanya kwa uwepo wa Borrelia burgdorferi, bakteria inayosababisha ugonjwa wa Lyme.

Daktari wa Kayla mara moja aliagiza kozi kamili ya doxycycline ya antibiotic. Kwa bahati nzuri, Kayla alipona kikamilifu ndani ya wiki chache na hakuteseka na dalili za muda mrefu za ugonjwa wa ugonjwa wa Lyme baada ya matibabu (PTLDS), ambayo huathiri 10-20% ya wagonjwa wa ugonjwa wa Lyme. Ili kuzuia maambukizi ya baadaye, daktari wa Kayla alimshauri kutumia dawa ya wadudu na kuvaa nguo za kinga wakati wa adventures zake za nje. Hatua hizi zinaweza kuzuia yatokanayo na tiba za kuzaa Lyme, ambazo ni za kawaida katika mikoa mingi ya Marekani wakati wa miezi ya joto ya mwaka. Kayla pia alishauriwa kufanya tabia ya kujichunguza kwa kupe baada ya kurudi kutoka shughuli za nje, kwani kuondolewa haraka kwa kupe kunapunguza sana nafasi za kuambukizwa.

Ugonjwa wa Lyme mara nyingi ni vigumu kutambua. B. burgdorferi haipatikani kwa urahisi katika maabara, na dalili za awali zinaweza kuwa mpole sana na zinafanana na zile za magonjwa mengine mengi. Lakini kushoto bila kutibiwa, dalili zinaweza kuwa kali sana na kudhoofisha. Mbali na vipimo viwili vya antibody, ambavyo havikuwepo katika kesi ya Kayla, na mtihani wa PCR, waa la Kusini linaweza kutumika kwa uchunguzi wa DNA maalum ya B. burgdorferi kutambua DNA kutoka kwa kisababishi magonjwa. Mlolongo wa jeni za protini za uso wa spishi za Borrelia pia hutumiwa kutambua Matatizo ndani ya spishi ambazo zinaweza kupitishwa kwa urahisi zaidi kwa binadamu au kusababisha ugonjwa mkali zaidi.

#### Recombinant DNA Teknolojia na Uzalishaji wa Madawa

Uhandisi wa maumbile umetoa njia ya kuunda bidhaa mpya za dawa zinazoitwa madawa ya DNA ya recombinant. Bidhaa hizo ni pamoja na dawa za antibiotic, chanjo, na homoni zinazotumiwa kutibu magonjwa mbalimbali. Meza$$\PageIndex{1}$$ orodha mifano ya bidhaa recombinant DNA na matumizi yao.

Kwa mfano, njia za awali za antibiotiki zinazotokea kwa kawaida za Streptomyces spp., ambazo zinajulikana kwa muda mrefu kwa uwezo wao wa uzalishaji wa antibiotiki, zinaweza kubadilishwa ili kuboresha mavuno au kuunda antibiotics mpya kwa njia ya kuanzishwa kwa jeni encoding enzymes za ziada. Zaidi ya 200 antibiotics mpya zimezalishwa kwa njia ya kutengwa kwa jeni na mchanganyiko wa riwaya wa jeni za awali za antibiotiki katika majeshi ya Streptomyces inayozalisha antibiotiki. 3

Uhandisi wa maumbile pia hutumika kutengeneza chanjo ndogo, ambazo ni salama kuliko chanjo nyingine kwa sababu zina molekuli moja tu ya antijeni na kukosa sehemu yoyote ya jenomu ya kisababishi magonjwa (tazama Chanjo). Kwa mfano, chanjo ya hepatitis B imeundwa kwa kuingiza jeni encoding protini ya uso wa hepatitis B ndani ya chachu; chachu kisha hutoa protini hii, ambayo mfumo wa kinga ya binadamu hutambua kama antigen. Antigen ya hepatitis B inatakaswa kutoka kwa tamaduni za chachu na kusimamiwa kwa wagonjwa kama chanjo. Japokuwa chanjo haina virusi vya hepatitis B, uwepo wa protini ya antijeni huchochea mfumo wa kinga ili kuzalisha kingamwili ambazo zitamlinda mgonjwa dhidi ya virusi wakati wa kuambukizwa. 4 5

Uhandisi wa maumbile pia imekuwa muhimu katika uzalishaji wa protini nyingine za matibabu, kama vile insulini, interferons, na binadamu uchumi homoni, kutibu aina ya hali ya matibabu ya binadamu. Kwa mfano, wakati mmoja, iliwezekana kutibu ugonjwa wa kisukari tu kwa kutoa wagonjwa nguruwe insulini, ambayo imesababisha athari za mzio kutokana na tofauti ndogo kati ya protini zilizoelezwa katika insulini ya binadamu na nguruwe. Hata hivyo, tangu mwaka 1978, teknolojia ya DNA ya recombinant imetumika kuzalisha kiasi kikubwa cha insulini ya binadamu kwa kutumia E. coli katika mchakato wa gharama nafuu unaotoa bidhaa za dawa zenye ufanisi zaidi. Wanasayansi pia vinasaba E. coli uwezo wa kuzalisha binadamu uchumi homoni (HGH), ambayo hutumiwa kutibu matatizo ya ukuaji kwa watoto na baadhi ya matatizo mengine kwa watu wazima. Gene ya HGH ilikuwa cloned kutoka maktaba cDNA na kuingizwa katika seli E. coli kwa cloning ndani ya vector bakteria. Hatimaye, uhandisi wa maumbile utatumika kuzalisha chanjo za DNA na matibabu mbalimbali ya jeni, pamoja na dawa zilizoboreshwa kwa kupambana na kansa na magonjwa mengine.

Jedwali$$\PageIndex{1}$$: Baadhi ya Bidhaa za Madawa ya Jinsia na Matumizi
Recombinant DNA bidhaa Maombi
Atrial natriuretic peptide Matibabu ya ugonjwa wa moyo (kwa mfano, congestive moyo kushindwa), ugonjwa wa figo, shinikizo la damu
DNase Matibabu ya secretions ya mapafu ya viscous katika nyuzi za
Erythropoietin Matibabu ya upungufu wa damu kali na uharibifu wa figo
Sababu ya VIII Matibabu ya hemophilia
Hepatitis B chanjo Kuzuia maambukizi ya hepatitis B
Binadamu uchumi homoni Matibabu ya upungufu wa ukuaji wa homoni, Turner ya syndrome, nzito
Insulini ya binadamu Matibabu ya ugonjwa wa kisukari
Interferons Matibabu ya sclerosis nyingi, saratani mbalimbali (kwa mfano, melanoma), maambukizi ya virusi (kwa mfano, Hepatitis B na C)
Tetracenomycins Kutumika kama antibiotics
Activator ya plasminogen ya tishu Matibabu ya ugonjwa wa mapafu katika kiharusi ischemic, infarction ya myocardial

Zoezi$$\PageIndex{2}$$

1. Nini bakteria imekuwa genetically engineered kuzalisha insulini binadamu kwa ajili ya matibabu ya ugonjwa wa kisukari?
2. Eleza jinsi microorganisms inaweza engineered kuzalisha chanjo

#### Teknolojia ya kuingiliwa kwa RNA

Katika Muundo na Kazi ya RNA, tulielezea kazi ya mRNA, rRNA, na tRNA. Mbali na aina hizi za RNA, seli pia huzalisha aina kadhaa za molekuli ndogo za RNA zisizo na coding ambazo zinahusika katika udhibiti wa kujieleza jeni. Hizi ni pamoja na molekuli za RNA za antisense, ambazo zinaongezea mikoa ya molekuli maalum za mRNA zilizopatikana katika prokaryotes zote mbili na seli za eukaryotic. Molekuli zisizo za coding za RNA zina jukumu kubwa katika kuingiliwa kwa RNA (RNAI), utaratibu wa udhibiti wa asili ambao molekuli za mRNA zinazuiwa kuongoza awali ya protini. RNA kuingiliwa kwa jeni maalum matokeo kutoka pairing msingi wa short, single-stranded antisense RNA molekuli kwa mikoa ndani ya molekuli nyongeza mRNA, kuzuia protini awali. Viini hutumia kuingiliwa kwa RNA ili kujilinda kutokana na uvamizi wa virusi, ambayo inaweza kuanzisha molekuli za RNA mbili zilizopigwa kama sehemu ya mchakato wa kuiga virusi (Kielelezo$$\PageIndex{2}$$).

Watafiti kwa sasa wanaendeleza mbinu za kuiga mchakato wa asili wa kuingiliwa kwa RNA kama njia ya kutibu maambukizi ya virusi katika seli za eukaryotic. Teknolojia ya kuingiliwa kwa RNA inahusisha kutumia RNAs ndogo zinazoingilia (SirNAs) au microRNAs (MirNAs$$\PageIndex{3}$$) (Kielelezo). SirNAs ni nyongeza kabisa kwa nakala ya mRNA ya jeni maalum ya riba wakati MirNAs ni zaidi ya ziada. RNA hizi mbili stranded ni wajibu wa DICER, endonuclease kwamba cleaves RNA katika molekuli fupi (takriban 20 nucleotides muda mrefu). RNAs ni kisha amefungwa na RNA-ikiwa kimya tata (RISC), ribonucleoprotein. Tata ya Sirna-Risc hufunga kwa mRNA na kuifunga. Kwa miRNA, moja tu ya vipande viwili hufunga kwa RISC. Tata ya Mirna-Risc kisha hufunga kwa mRNA, kuzuia tafsiri. Ikiwa MirNA inaongezea kabisa jeni la lengo, basi mRNA inaweza kuunganishwa. Kuchukuliwa pamoja, taratibu hizi zinajulikana kama kunyamazisha jeni.

## Dhana muhimu na Muhtasari

• Sayansi ya genomics inaruhusu watafiti kujifunza viumbe kwa kiwango cha jumla na ina matumizi mengi ya umuhimu wa matibabu.
• Transcriptomics na proteomics kuruhusu watafiti kulinganisha mifumo ya kujieleza jeni kati ya seli tofauti na inaonyesha ahadi kubwa katika kuelewa vizuri majibu ya kimataifa kwa hali mbalimbali.
• Teknolojia mbalimbali za -omics zinajumuisha na kwa pamoja hutoa picha kamili zaidi ya hali ya jamii ya kiumbe au microbial (metagenomics).
• Uchambuzi unaohitajika kwa seti kubwa za data zinazozalishwa kupitia genomics, transcriptomics, na proteomics umesababisha kuibuka kwa bioinformatics.
• Mwandishi jeni encoding tabia rahisi kuonekana ni kawaida kutumika kufuatilia mifumo ya kujieleza jeni ya jeni ya kazi haijulikani.
• Matumizi ya teknolojia ya DNA ya recombinant imebadilisha sekta ya dawa, kuruhusu uzalishaji wa haraka wa madawa ya DNA ya recombinant yenye ubora wa juu kutumika kutibu hali mbalimbali za binadamu.
• Teknolojia ya kuingiliwa kwa RNA ina ahadi kubwa kama njia ya kutibu maambukizi ya virusi kwa kunyamazisha usemi wa jeni maalum.

### maelezo ya chini

1. Orodha ya E.O, D.E. Berryman, B. Bower, L. Sackmann-Sala, E. Gosney, J. Ding, S. Okada, na J.J. Kopchick. “Matumizi ya Proteomics Kujifunza Magonjwa ya Kuambukiza.” Matatizo ya kuambukiza-Malengo ya Madawa ya Kulevya (Zamani Malengo ya Madawa ya Kivu-Matatizo ya Kuambukiza) 8 namba 1 (2008): 31—45.
2. 2 Mohan Natesan, na Robert G. Ulrich. “Protini Microarrays na Biomarkers ya Magonjwa ya Kuambukiza.” Journal ya Kimataifa ya Sayansi ya Masi 11 no. 12 (2010): 5165—5183.
3. 3 Jose-Luis Adrio na Arnold L. Demain. “Viumbe vya Recombinant kwa ajili ya Uzalishaji wa Bidhaa za Viwanda.” Bioengineered Bugs 1 hakuna. 2 (2010): 116—131.
4. 4 Marekani Idara ya Afya na Huduma za Binadamu. “Aina ya Chanjo.” 2013. www.vaccines.gov/more_info/types/ #subunit. Ilifikia Mei 27, 2016.
5. 5 Internet Madawa Orodha. Recombivax. 2015. http://www.rxlist.com/recombivax-drug.htm. Ilifikia Mei 27, 2016.