DNA-sekvensering

Her skal vi se på DNA-koden og hvordan den brukes til å lage proteiner. Totalt har mennesket nesten 100 000 000 000 000 ($10^{14}$) celler i kroppen som hver inneholder en DNA-tråd.

Innhold

• Bakgrunn
• DNA-koden
• Duplisering
• Transkripsjon
• Tripletter
• Aminosyrer
• Proteiner
• Andre bruksområder

Bakgrunn

DNA (deoksyribonukleinsyre) inneholder en enorm mengde informasjon. Mestparten av DNAet ligger i cellekjernen, men det er noe DNA som ligger i mitokondriene. Dette DNAet kalles mitokondrie-DNA. DNAet i cellekjernen er kveilet opp rundt proteiner kalt histoner. Denne oppkveilingen kaller vi for et kromosom. Kromosomer har vi mulighet til å se gjennom et mikroskop. Totalt har mennesker 46 kromsomer i (nesten) alle celler.

DNA-molekylene består totalt av 3 millioner baser som er koblet sammen med et skjelett av sukkermolekyler og fosfatmolekyler. Skjelettet former DNA-molekylet til en dobbel heliks. Deler av DNA-molekylene danner gener, som er oppskrifter på proteiner

En viktig egenskap med DNA er at det kan kopiere seg selv. Det er viktig når celler skal dele seg. I tillegg kan det kopiere deler av seg selv for produksjon av proteiner.

Oppgave 1

I hvilke celler er det ikke 48 kromosomer? Hvorfor?

Hva er et gen?

DNA-koden

DNA-koden inneholder 4 baser, adenin ($A$), tymin ($T$), cytosin ($C$), og guanin ($G$). Disse er koblet sammen i par, der $A$ og $T$ er et par og $C$ og $G$ er det andre paret. De kan ikke danne andre par enn dette. Dette gjør at hvis vi kjenner den ene delen av en DNA-tråd kan vi lage den andre delen ved å følge denne regelen.

Totalt består DNA av over 3 millioner slike basepar, og hvis vi hadde strukket ut DNA-molekylet fra en celle ville det blitt ca 2 meter langt. Hadde vi strukket ut alt DNA i kroppen vår ville det blitt dobbelt så langt som solsystemet vårt. I tillegg vil et DNAet i en celle inneholde tilsvarende ca 1.5 GB med data.

DNA inneholder all informasjon som skal til for å opprettholde og bygge kroppen vår. Vi skal her se på hvordan DNA klarer dette gjennom blant annet kopiering og proteinsyntesen.

Oppgave 2

Vi vet at den ene DNA-tråden vår har basekoden:

$A ~ A ~ C ~ T ~ G ~ A ~ T ~ C ~ G ~ G ~ A ~ T ~ C ~ C ~ T ~ A$

Hva er er den tilsvarende basekoden på den andre DNA-tråden?

Basekode en tråd fra en annen

Vi skal nå lage et program som tar inn en del av DNA-tråden og vil skrive ut den andre tilhørende tråden.

Oppgave 3

Diskuter med sidemannen hva denne programmeringskoden må gjøre. Hva tar programmet inn, hva gjør programmet, og hva gir programmet ut tilslutt?

Vi starter med å lage en programmeringskode som tar inn basekoden fra brukeren og deretter splitter opp basekoden med kommandoen list(). Denne kommandoen tar inn en streng (tekst, for eksempel AATGTA) og splitter den opp til sine enkelte tegn (bokstaver, A A T G T A).

DNA = input("Skriv inn en DNA-kode (A, T, C, G): ")

DNA = list(DNA)

Vi må gå gjennom alle bitene av basekoden og bytte dem ut med det tilhørende baseparet. Dette gjør vi med en for-løkke som går gjennom alle basene. Vi avbryter løkken med break hvis noen har skrevet inn en gal base.

for i in range(len(DNA)):
    if DNA[i] == 'A':
        DNA[i] = 'T'
    elif DNA[i] == 'T':
        DNA[i] = 'A'
    elif DNA[i] == 'C':
        DNA[i] = 'G'
    elif DNA[i] == 'G':
        DNA[i] = 'C'
    else:
        print("DNA-koden inneholder noen ikke-gyldige baser")
        break

Tilslutt setter vi sammen bokstavene vår til en basekode igjen med kommandoen join.

DNA = ''.join(DNA)
print(DNA)

Hele programmeringskoden blir da:

Oppgave 4

Test programmet for flere varianter av DNA-koder. Fungerer programmet alltid?

Transkripsjon av DNA-kode

DNA-koden inneholder oppskriften på en mengde proteiner som styrer alt fra farge på øyne, blodceller til hormoner osv. Siden DNA-koden er så viktig for oss ligger den inne i cellekjernen i alle cellene våre. Der ligger den godt beskyttet med en ekstra membran rundt seg. Organellene som setter sammen aminosyrer til proteiner heter ribosomer og ligger utenfor cellekjernen. Vi må dermed få informasjonen som er i DNA-molekylet ut til ribosomet. Vi kunne tenkt oss at DNA kan gå ut av cellekjernen, men da blir det utsatt for kjemiske endringer fra for eksmpel frie radikaler. Dette kan endre/skade DNAet og gjøre at cellene ikke klarer å produsere proteiner. Det er for risikabelt, så kroppen har en bedre løsning.

I cellekjernene lages en kopi av den ene DNA-tråden gjennom transkripsjon. DNA-heliksen blir først åpnet opp, deretter kopieres et gen fra den ene tråden, før DNA-heliksen lukkes igjen. Den kopierte tråden kaller vi m-RNA (messenger-RNA). I kopieringen til m-RNA erstattes tymin ($T$) med urasil ($U$).

Oppgave 5

Bruk internett til å undersøke hvorfor m-RNA inneholder Urasil istedenfor Tymin.

Oppgave 6

Under er programmet vi brukte for å kopiere en DNA-tråd. Endre på programmet slik at det isteden skriver ut m-RNA som blir dannet fra DNA-sekvensen vi skriver inn.

Tripletter (kodon)

Proteiner består av en rekke aminosyrer, så for å lage et protein må m-RNA kode for rekkefølgen på disse aminosyrene. Vi har totalt 20 aminosyrer, så vi trenger nok bokstaver til å kunne klare å kode for 20 forskjellige aminosyrer. Hvis vi bruker én base har vi kun 4 muligheter:

• A
• T
• G
• C

Dette er ikke nok for å kode for 20 forskjellige aminosyrer.

Oppgave 7

Hvor mange muligheter har vi hvis vi bruker to baser?

For tre basepar øker antall muligheter. Her bruker vi litt kombinatorikk fra matematikken for å vise antall muligheter. For første base har vi 4 muligheter, for andre har vi 4 muligheter og for siste har vi 4 muligheter. Totalt har vi da

muligheter.

Hvis dere ikke er overbevist kan vi lage et kort program som viser alle mulighetene.

m-RNA bruker en sekvens av 3 baser for å kode for en aminosyre, vi kaller en slik triplett for et kodon. Siden vi har 64 varianter med 3 baser og kun 20 aminosyrer, er det en del basekombinasjoner som må enten kode for samme aminosyre eller være overflødige. Det viser seg at det ikke er noen overflødige kombinasjoner, men at flere kodoner kan kode for samme aminosyre.

Tripletter til aminosyrer

Oppgave 8

Klikk her for å se hvilke kombinasjoner som gir hvilke aminosyrer. En oppsummering er gitt i figuren til høyre <br><br>

a) Hvilke amonisyrer koder sekvensen $G~A~T~T~A~C~A~T~T$ for? <br><br>

I tabellen ser vi at $AUG$ er et start-kodon, og $UAA$, $UAG$, $UGA$ er stopp-kodoner.

b) Hva er et start- og stopp-kodon? <br><br>

Av figuren til høyre ser vi at $AUG$ koder for aminosyren metionin.

c) Hvordan kan vi kode for aminosyren metionin når $AUG$ også er startkodonet?

<br><br><br><br><br><br>

I programbiten under har vi laget en tabell som linker et kodon til bokstaven for aminosyren i figuren over.

I programbiten under oversetter vi en m-RNA sekvens til en aminosyresekvens (et protein).

Oppgave 9

Oversett følgende m_RNA-sekvens til en proteinsekvens

$GCACUUCUUGAGUAAUUAAUUAAAGAGCGUUAACUUGCAUAAUCUACAGCAGCA$

Lag deretter din egen m_RNA-kode som gir et ord eller en setning. Bruk figuren over til å gjøre dette.

I programbiten under har vi laget en tabell som linker bokstaven for aminosyre til navnet på aminosyren.

I programbiten under oversetter vi en m-RNA sekvens til en aminosyresekvens (et protein) og skriver ut det fulle navnet på alle aminosyrene i sekvensen.

Aminosyrer til proteiner

Her henter vi inn en liste over mange kjente proteiner i mange forskjellige arter. Listen heter pdb_seqres.txt og er hentet herifra. Filen er ganske stor fordi den inneholder 1 084 918 proteiner. Hvis du kjører koden under vises de første 15 proteinene. Resten av koden her er litt tuklete siden filen som inneholder proteinene er formatert litt komplisert.

Skal nå finne sekvensen du lagde i forrige oppgave i denne filen.

Når du har funnet navnet på et par proteiner kan du kan søke her etter mer info om proteinet her. https://www.rcsb.org/pages/search_features

Plotte proteiner etter antall aminosyrer (work in progress)

Andre bruksområde for kunnskap om DNA (work in progress)

Det er flere som nå undersøker om man kan bruke DNA til å lagre data. Med dagens teknologi kan vi lagre data sikkert i ca 20 år uten at det tar skade eller blir endret. DNA-molekylet er veldig stabilt og kan lagre data over lang tid, mer info her

Etikk og patenter på DNA

CRISPR-teknologi

Oppgave 10

Søk opp informasjon om skrap-DNA (junk-DNA).