流行文化中的基因组工程史

客人的博客

这篇文章由加州大学圣地亚哥分校的研究生Kartik Lakshmi Rallapalli提供。

基因工程技术的革命是最近已经实现的昔日的猜测。科幻小说(SCIFI)作家对改变生物体遗传码及其社会影响的能力感到好奇,甚至在发现基因本身之前。

基因编辑的科学进步是如何影响小说世界的,反之亦然?我们将科学进步的时间线与它所激发的值得注意的小说作品进行比较。警告:剧透警告!

Pre-DNA时代

科幻小说之父赫伯特·乔治·威尔斯也是一位训练有素的生物学家。这一点在他的作品中很明显莫罗博士岛(1896)他探讨了动物测试和修改的概念。小说的前提涉及莫鲁博士创造人畜杂交种。这本书在30年后发布Gregor Mendel的开创性工作关于遗传(1866年)和正时孟德尔遗传学被植物学家雨果·德·弗里斯救活了(1896)。

1928年,弗雷德里克·格里菲斯使用鼠标模型证明链球菌引起的肺炎细菌可以从一种生物体转化为另一种生物体。这就是现在著名的格里菲思的实验

DNA时代

1940-1960年这段时期对于遗传学和科幻小说来说至关重要。世界各地的科学家开始寻找作为生命密码的神奇分子。在1944年,奥斯瓦尔德·艾弗里,科林·麦克劳德,麦克林·麦卡蒂的实验被揭穿的神话是蛋白质是遗传信息的载体,并导致DNA的加冕作为生命的分子。通过1952年的结果进一步加强了这一点赫希蔡斯实验.同年,Rosalind富兰克林和她的学生Raymond Gosling曾经参加过DNA的x射线衍射图像.最后,在1953年,富兰克林与詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克一起分解了DNA双螺旋结构.20世纪60年代,哈尔·戈宾·霍拉纳(Har Gobind Khorana)、马歇尔·w·尼伦伯格(Marshall W. Nirenberg)和罗伯特·w·霍利(Robert W. Holley)崩溃了遗传密码并解释了DNA的四个字母是如何翻译成20个氨基酸的。一旦科学家确定DNA编码了调节和繁殖生命所需的所有信息,就没有回头的余地了。

虽然分子遗传学世界正在蓬勃发展,但科学系统的巨头崛起,如艾萨克·阿西莫夫,亚瑟·克拉克,詹姆斯黑白和约翰W.坎贝尔等文学巨头。这段时间被称为科幻小说的黄金时代,但这些作者探索的共同主题是太空和机器人。在这一时期,宇宙飞船上的恒星变形和灭绝整个人类的杀人机器的兴起是两个最受欢迎的话题,激发了大多数作者的想象力。

基因工程时代:克里斯特

在可视化和理解了DNA之后,分子生物学家的下一个里程碑是设计操作它的方法。的基因工程这个词本身是科幻作家杰克·威廉姆森提出的谁在1951年的小说中使用它龙岛.1976年,世界上第一家基因工程公司,Genentech.,成立。

这种基因编辑技术的商业化导致了许多重要的医药和农产品的发展。但这也让《科菲》的导演雷德利·斯科特想知道,如果这些公司利用基因工程来剥削人类,会发生什么。雷德利·斯科特执导了《银翼杀手》(1982)。这是一部反乌托邦电影,围绕着被称为复制人的合成人展开,这些人被一个强大的公司通过基因工程改造成为奴隶。

Meganuclases.

meganuclease交易卡

1989年,第一个曾经进行过DNA编辑酶,meganucleases,被发现。这些蛋白质的特征是大型DNA识别位点,这使它们具有高度特异性。

《侏罗纪公园》Michael Crichton于1990年出版,仅在发现Meganuclases的发现后一年。故事情节涉及通过将DNA从僵化的琥珀提取并通过基因工程用现有日青蛙的DNA补充剂来复活恐龙。相应的电影于1993年出来,续集《侏罗纪公园》(1997年、2001年、2015年和2018年)的票房都非常成功,这表明了电影观众对恐龙在主题公园里肆意破坏的贪得无厌的胃口。

1997年发布,千钧一发是一部由伊桑·霍克、乌玛·瑟曼和裘德·洛主演的美国科幻电影。电影的名字本身就是DNA的四种碱基——a、T、G和c的组合。在这部电影中,伊桑·霍克饰演的角色反抗了由基因造成的阶级分化。

锌指核酸酶

锌指核酸酶ZFNs是一种人工限制性内切酶,通过将锌指dna结合域与dna裂解域(FokI)融合而产生。锌指核酸酶于2005年首次设计。DNA结合域可以被设计成针对特定的DNA序列,而FokI则诱导双链断裂。这些断裂可以通过同源重组和修复模板进行修复。每个锌指识别一个核苷酸三联体,当几个zfn串在一起时,它可以同时读出许多碱基对增加特异性.这种模块化方法使ZFN对研究人员高吸引力。

取得

在2010年,转录激活因子样效应核酸酶(TALENs)工程。TALENs遵循与ZFNs类似的dna结合和dna切割策略,但不是识别核苷酸三联体,而是识别单个核苷酸。这给予取得比ZFNs更具特异性和更广泛的底物偏好

ZFN交易卡Talens交易卡

基因工程时代:后CRISPR

克里普尔克

CRISPR Cas交易卡利用蛋白质来识别DNA序列的策略并不理想。对于早期的基因编辑器,每次我们想要定位新的基因组位点时,都必须设计新的氨基酸识别位点。的2005年发现Cas蛋白质CRISPR-Cas编辑很快就取代了蛋白质dna结合域,成为基因工程领域的一个重大突破单引导RNA序列.CAS蛋白,就像它的前任一样诱导双链断裂在目标基因组位置。这通常是异源end-joining这导致了基因敲除。

《星际迷航:暗黑无界》(2013)是太空情节剧的翻拍版星际迷航二可汗的愤怒(1982)结合了基因工程和太空旅行的世界。电影里看到了美国军舰企业船员对抗遗传设计超人汗。

这部小说,地狱(2013)和电影版(2016年)Stars Tom Hanks作为主角(Langdon)。情节涉及兰登追逐一个名为Zobrist的反恶棍遗传学家,他们设计了一个可能杀死三分之一的人类(就像黑瘟疫)的病毒。

基本编辑

基本编辑交换卡所有基于内切酶的基因编辑器(meganucleases, ZFNs, TALENs和CRISPR-Cas)的主要缺点是它们诱导基因组的双链断裂(DSBs)。这些技术依赖于细胞DNA修复机制,这可能导致高频率的indel形成并且在引入点突变方面效率低下。2016年,布罗德研究所(Broad Institute)的研究人员设想了在基因组中引入点突变的新策略。他们将催化受损的Cas9蛋白与dna编辑酶融合生成典型的碱基编辑酶.的胞苷碱基编辑器使用胞苷脱氨酶在基因组中的精确位置引入C→T变化。很快就是腺嘌呤碱基编辑(ABE)酶2017年。ABES依赖于类似的策略作为CBE,但使用SSDNA腺苷脱氨酶(从TRNA脱氨酶酶,TADA演变)到诱导a→G突变在靶基因组基因座。CBE和ABE一起避免了通常与DSB相关的indel形成率,并提供了由于基因组的单一核苷酸变化引起的固化疾病前所未有的前景。

由于遗传工程中克里普尔克的兴起和各种非科学平台上的技术广告,CRISPR也超越了SCIFI的世界。对于在最近的SCIFI电影中与基因工程相关的任何内容的任何内容,这是显而易见的。横冲直撞由“巨石”道恩·强森(Dwayne“The Rock”Johnson)主演的《CRISPR》(2018)杂志称,CRISPR是一个出了严重错误的基因工程实验。这部电影的情节涉及巨石和他的巨型白化大猩猩击退了“受CRISPR影响”的巨大狼和鳄鱼。

Prime编辑

基因组编辑的最新突破是'编辑,这是在2019年设计.它基于主要编辑器,这是Cas9和逆转录酶之间的融合。使用细长的模板+指导RNA称为PEGRNA(PRIME编辑RNA),PRIME编辑器可以安装所有可能的点突变,删除短脉冲DNA,甚至在靶基因组基因座处插入新DNA。

Prime编辑交易卡

流行文化中基因组工程描述的最后一句话

科幻小说是最富想象力和最重要的文学小说类型之一。它一直是一种对未来的愿景,让我们重新审视当前的视角。尽管基因组编辑技术给健康科学、能源和农业领域带来了复兴,但它在流行小说中的描述大多是负面的。但这些负面的描述对整个科学界来说是一个警示故事,提醒我们始终要考虑我们的研究的伦理和更广泛的影响。

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许多人感谢我们的博客·卡莱克·拉克希姆罗拉巴利,从加州大学圣地亚哥。

Kartik Lakshmi.Kartik Lakshmi Rallapalli是加州大学Francesco Paesani教授实验室的第三年研究生。她正在与Alexis Komor教授合作,他们正在努力扩大我们对基础编辑酶的理解。Kartik的研究侧重于使用分子动力学模拟和机器学习,为腺嘌呤基础编辑提供预测的理解,可以帮助加速新型碱编辑蛋白的工程。她特别感兴趣地结合艺术和科学领域。跟着她@kartik_lakshmi。

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主题:克里普尔克

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