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15.3: 재조합 DNA
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Biology

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Recombinant DNA
 
전사물

15.3: Recombinant DNA

15.3: 재조합 DNA

Overview

Scientists create recombinant DNA by combining DNA from different sources—often, other species—in the laboratory. DNA cloning allows researchers to study specific genes by inserting them into easily manipulated cells, such as bacteria. Organisms that contain recombinant DNA are known as genetically modified organisms (GMOs). Recombinant DNA technology produces organisms with new genes that can benefit science, medicine, and agriculture.

How Do Scientists Create Recombinant DNA?

Creation of recombinant DNA involves inserting a gene of interest into a vector—a vehicle that carries foreign DNA into host cells for DNA replication and protein expression. The most commonly used cloning vectors are plasmids, small circular pieces of DNA that replicate independently from the host’s chromosomal DNA.

To create recombinant DNA, both the donor DNA, including the gene of interest, and the vector are cut at specific nucleotide sequences—called restriction sites—using restriction enzymes. The enzyme DNA ligase seals the sugar-phosphate backbone where the gene of interest and plasmid connect.

The result is a recombinant DNA molecule consisting of a vector with an integrated piece of donor DNA—called an insert. A scientist may then introduce this hybrid DNA molecule into a host organism—typically bacteria or yeast—where it easily and rapidly replicates. This creates many copies of the gene of interest, which is necessary for scientific research and other applications. The gene may also be transcribed and translated into the desired protein—such as human insulin—by using the host’s cellular machinery.

Creating recombinant DNA is an imperfect process, and errors often occur. For example, the vector may close without the insert or the insert may be incorrect (e.g., backward). Before using the recombinant DNA for further studies, researchers have to check for errors. Nucleotide sequencing can help identify bacteria colonies that carry plasmids with the correct insert.

Scientists Use Recombinant DNA to Study Genes and Proteins

Recombinant DNA technology is particularly advantageous when a scientist needs many copies of a gene of interest or a protein product. However, a scientist’s research may require an added level of complexity, such as the detection or purification of their desired protein. To achieve this objective, a researcher may attach a tag or reporter—proteins used to identify a gene product—to their desired protein to create a fusion gene, or chimeric gene.

Applications in Medicine and Agriculture

Scientists first used recombinant DNA technology to produce human insulin in bacteria, resulting in a treatment for diabetes. Since that initial discovery, researchers have generated other recombinant DNAs for therapeutic use. Recombinant bacteria make human growth hormone—a protein required for normal growth and development—to treat patients with growth hormone deficiency. Recombinant mammalian cells, derived from humans and hamsters, produce Factor VIII—a protein required for normal blood-clotting—to treat patients with hemophilia. Evidently, recombinant DNA technology is a powerful tool for the large-scale production of essential proteins.

Agricultural advances in recombinant DNA technology also impact human well-being. For example, corn farmers suffered substantial crop damage due to the pest European corn borer. In response, scientists isolated genes from a soil-dwelling bacterium—Bacillus thuringiensis (Bt)—to create genetically modified, pest-resistant corn. Bacillus thuringiensis naturally produces proteins that are toxic to certain insects but not humans, plants, or other animals. The introduction of pest-resistant Bt corn improved crop yields and decreased use of chemical pesticides. Such agricultural applications enhance the quality and quantity of the global food supply.

개요

과학자들은 실험실에서 다른 소스에서 DNA를 결합하여 재조합 DNA를 만듭니다. DNA 복제는 연구원이 박테리아와 같은 쉽게 조작된 세포로 삽입하여 특정 유전자를 연구할 수 있게 합니다. 재조합 DNA를 포함하는 유기체는 유전자 변형 유기체로 알려져 있습니다 (GMO). 재조합 DNA 기술은 과학, 의학 및 농업에 혜택을 줄 수 있는 새로운 유전자를 가진 유기체를 생성합니다.

과학자들은 어떻게 재조합 DNA를 만들 수 있습니까?

재조합 DNA의 생성은 DNA 복제 및 단백질 발현을 위한 호스트 세포로 외국 DNA를 전송하는 벡터에 관심있는 유전자를 삽입하는 관련시킵니다. 가장 일반적으로 사용되는 복제 벡터는 플라스미드, 호스트의 염색체 DNA에서 독립적으로 복제 DNA의 작은 원형 조각입니다.

재조합 DNA를 만들기 위하여는, 관심있는 유전자를 포함하여 기증자 DNA 및 벡터는 특정 뉴클레오티드 서열에서 절단됩니다 -제한 사이트에게 불린 - 제한 효소를 사용하여. 효소 DNA 리구아제는 관심있는 유전자와 플라스미드의 유전자가 연결되는 설탕 인산염 백본을 밀봉합니다.

결과는 기증자 DNA의 통합된 조각을 가진 벡터로 구성된 재조합 DNA 분자입니다 -삽입이라고 합니다. 과학자는 그 때 호스트 유기체로 이 하이브리드 DNA 분자를 소개할 수 있습니다 - 전형적으로 박테리아 또는 효모 - 쉽고 급속하게 복제하는 곳에. 이것은 과학적인 연구 및 그밖 응용을 위해 필요한 관심있는 유전자의 많은 사본을 만듭니다. 유전자는 또한 호스트의 세포 기계에 의해 인간 인슐린과 같은 원하는 단백질로 전사되고 번역될 수 있습니다.

재조합 DNA를 만드는 것은 불완전한 과정이며 오류가 종종 발생합니다. 예를 들어, 벡터는 인서트 없이 닫히거나 삽입이 올바르지 않을 수 있다(예: 뒤로). 추가 연구를 위해 재조합 DNA를 사용하기 전에, 연구원은 오류를 확인해야합니다. 뉴클레오티드 시퀀싱은 플라스미드를 올바른 삽입으로 운반하는 박테리아 식민지를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

과학자들은 유전자와 단백질을 연구하기 위해 재조합 DNA를 사용합니다.

재조합 DNA 기술은 과학자가 관심 있는 유전자 또는 단백질 제품의 많은 사본을 필요로 할 때 특히 유리합니다. 그러나, 과학자의 연구는 그들의 원하는 단백질의 검출 또는 정화와 같은 복잡성의 추가 수준을 요구할 수 있습니다. 이 목적을 달성하기 위하여는, 연구원은 말표 또는 기자 -유전자 생성을 확인하는 데 사용되는 단백질 - 융합 유전자, 또는 키메라 유전자를 만들기 위하여 그들의 원하는 단백질에 붙일 수 있습니다.

의학 및 농업 분야의 응용 프로그램

과학자들은 먼저 재조합 DNA 기술을 사용하여 박테리아에서 인간 인슐린을 생성하여 당뇨병 치료를 받았습니다. 그 초기 발견 이후, 연구원은 치료 사용에 대 한 다른 재조합 DNA를 생성 했다. 재조합 박테리아는 인간 성장 호르몬을 만든다 -정상적인 성장 및 개발에 필요한 단백질-성장 호르몬 결핍 환자를 치료 하기 위해. 인간과 햄스터에서 파생된 재조합 포유류 세포는 혈우병 환자를 치료하기 위해 정상적인 혈액 응고에 필요한 단백질인 팩터 VIII를 생산합니다. 분명히, 재조합 DNA 기술은 필수 단백질의 대규모 생산을위한 강력한 도구입니다.

재조합 DNA 기술의 농업 발전은 또한 인간의 복지에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 옥수수 농부는 해충 유럽 옥수수 보어로 인해 상당한 작물 손상을 입었다. 이에 대한 대응으로 과학자들은 유전자를 토양에 거주하는 박테리아에서 유전자를 분리하여유전자 변형, 해충 저항 성 옥수수를 만들었습니다. 바실러스 튀링겐시스는 자연적으로 특정 곤충에 독성이 있는 단백질을 생산하지만 인간, 식물 또는 다른 동물은 생산하지 않습니다. 해충 저항 Bt 옥수수의 도입은 작물 수확량을 개선하고 화학 살충제의 사용을 감소. 이러한 농업 응용 프로그램은 글로벌 식량 공급의 품질과 양을 향상시킵니다.


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