Andersen, Mikael Rørdam

Nielsen, Jens

Nielsen, Michael Lynge

Online Research Database In Technology

                       General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.  • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal   If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.     Downloaded from orbit.dtu.dk on: Dec 16, 2017Genomet: Systembiologiens rygradAndersen, Mikael Rørdam; Nielsen, Michael Lynge; Nielsen, JensPublished in:Dansk KemiPublication date:2006Document VersionOgså kaldet Forlagets PDFLink back to DTU OrbitCitation (APA):Andersen, M. R., Nielsen, M. L., & Nielsen, J. (2006). Genomet: Systembiologiens rygrad. Dansk Kemi, 87(3),15-17.15 dansk kemi, 87, nr. 3, 200613 ”rigtige” kurser indenfor kemisk arbejdsmiljø– hvilket kursus supplerer din hverdag?Find vores kursusprogram vedlagt Dansk Kemi nr. 1/06,på vores hjemmeside eller bestil pr. telefon.ALTox a/s • www.altox.dk • e-mail: altox@altox.dk • tlf: 38 34 77 98Kemisk Arbejdsmiljø** også firma-tilpassede kurser **BIOTEKNOLOGIDe sidste års udvikling af DNA-sekventeringsteknologi harmuliggjort sekventering af genomet af et hastigt stigende antalorganismer med industriel, medicinsk og/eller biologisk inte-resse. Med denne nye viden er der sket en udvidelse af denbioteknologiske forskning med mange nye teknikker og fag-områder til følge. Et af disse nye fagområder er systembiologi,hvor man gennem en holistisk og ofte matematisk tilgang tilbiologien forsøger at forstå komplekse systemer.Genomet - livets komponentlisteOrdet genom er en sammentrækning af ordet »gen« og dengræske endelse -om, der betyder »alt« eller »komplet«, og bru-ges til at betegne en organismes samlede arvemasse, der er re-præsenteret kemisk i DNA. Da ordet blev introduceret i 1920af Hans Winkler, professor i botanik [1], var tanken om, at mankunne have adgang til denne information, stadig abstrakt. Detændrede sig i 1995, hvor den første fulde genomsekvens af or-ganismen Haemophilus influenzae blev offentliggjort [6]. Si-den da er genomet af over 300 organismer blevet sekventeret[17], spændende fra tarmbakterier over bagegær til planter ogpattedyr så som hund, kat og mennesket. Faktisk er stigningeni tilgængelige genomiske data så stor, at man har kunnet iagt-tage eksponentiel vækst i den centrale database GenBank[14]med en fordobling af genomisk information ca. hver 18. månedsiden første optælling (figur 1).Drivkraften bag denne indsats har været den indsigt i en or-ganismes biologiske potentiale, som gensekvensen kan give.Det centrale dogme i biologien er, at et gens DNA transskribe-res til et mRNA-molekyle, som oversættes af cellen til et prote-in. Kender man derfor en celles sum af gener (gennem genom-et), kan man forudsige alle potentielle mRNA-molekyler (kal-det transkriptomet) og dermed også alle proteiner, som kanvære til stede i cellen (proteomet) (figur 2). Man har derfor ad-gang til organismens komponentliste, når man kender genomet.Genombaseret forskning - reverse engineering af livetSom mange forskere og investorer sidst i 90,erne måtte sande,så er en genomsekvens dog ikke en liste af svar og patenter,som blot skal renskrives, men snarere en liste af spørgsmål.Det er ikke umiddelbart muligt ud fra en DNA-sekvens at for-udsige funktionen af det tilsvarende protein, ligesom man ud afet bibliotekskatalog ikke kan se, hvad man kan finde i bøgerne.Det har igangsat en række initiativer, som har til formål at kort-lægge funktionen af DNA-sekvenser og proteiner.Den klassiske metode til at klarlægge enzymfunktioner er enoprensning med en efterfølgende undersøgelse af, hvilke bio-Genomet- systembiologiens rygradHer præsenteres en del af den moderne genomforskning og systembiologi, og det beskrives,hvordan man kan bruge denne viden til at optimere kemikalieproduktion i cellefabrikker,resulterende i en bæredygtig produktion af kemikalierAf Mikael Rørdam Andersen, Michael Lynge Nielsen og Jens Nielsen, Center for Mikrobiel Bioteknologi, BioCentrum-DTU, DTUkemiske reaktioner enzymet kan katalysere. Hvis man kombi-nerer dette med en bestemmelse af proteinets sekvens, er detmuligt herfra at bestemme gensekvensen. På denne måde erder skabt sammenhæng mellem mange enzymfunktioner ogderes tilsvarende gen.Et meget ambitiøst projekt for at udfylde den manglende vi-den, er Saccharomyces Genome Deletion-projektet [18]. Pro-jektet har som mål, vha. molekylærbiologiske metoder, meto-disk at fremstille et antal gærstammer som hver mangler ét afde ca. 6000 gener, der findes i Saccharomyces cerevisiae (ba-gegær). Studiet af disse stammer har ført til stor indsigt i funk-tionen af de enkelte gener, og bagegær har af denne grund ud-viklet sig til en meget vigtig modelorganisme for genombaseretforskning (foruden dens store industrielle betydning).Når man har knyttet funktion til et gen i en organisme, kanman vha. computeralgoritmer finde mulige kandidater for densamme funktion i andre organismer. Det forholder sig oftest så-dan, at gener med ens funktioner har lignende sekvenser, ogsåpå tværs af organismer. Man kan derved benytte computeresFigur 1. Graf overGenBanks vækst somfunktion af årstallet.Bemærk at ordinaten harlogaritmisk skala.▼▼▼▼ ▼▼▼▼▼ ▼16dansk kemi, 87, nr. 3, 2006BIOTEKNOLOGIevne til hurtigt at sammenligne store mængder data til at gen-nemsøge et genom[3]. Adskillige internetsider gør dette muligtfor et stort antal genomer, og der er dermed en stor genomiskvidensbase tilgængelig for de nye genomsekvenser, som løben-de kommer til. Derved identificeres komponenter i ny-sekven-terede organismer lettere.Systembiologien - genominformation sat i sammenhængBiokemi og biologi har indtil for nylig været baseret på den oven-stående reduktionistiske tilgang til bestemmelsen af livets bygge-sten. Selv i storskalaprojekter som deletions-studier bestemmerman stadig proteiners funktion ét ad gangen og prøver på denmåde at forstå komplekse systemer ud fra deres enkelte dele.Argumentet for det nye fagområde systembiologi har været,at komponenter i komplekse systemer ofte ikke opfører sig påsamme måde, når de er isoleret fra resten. Det gælder i biologi-en såvel som i kemiske reaktorer eller i trafikken (en bilist op-fører sig forskelligt i myldretiden, ift. når personen er alene påvejen). I stedet forsøger man at forstå cellen som et netværk el-ler et komplekst sæt af interaktioner, og derigennem opnå for-ståelse af de enkelte komponenters rolle, når de fungerer i de-res naturlige sammenhæng.Nøglen til observationer på systemniveau har været opfindel-sen af en række nye højeffektivitets teknikker, der gør forske-ren i stand til at se på forskellige niveauer af cellens metabolis-me (jf. figur 2). Metoder på genomniveau kaldes genomics oghar givet den sproglige stamme til en lang række -omics. Her-under findes bl.a.:- Transcriptomics: Studier af hele cellens mRNA-niveauer un-der givne forhold.- Proteomics: Bestemmelse af alle proteiner i cellen.- Metabolomics: Måling af koncentrationen af alle stofskifte-produkter (metabolitter) i cellen.Alle niveauer baserer sig dog i større eller mindre grad på deninformation der findes i genomet.Et gennemgående træk i systembiologien til forskel fra denklassiske biologi er tilstedeværelsen af matematiske modeller.Ofte søger man at opstille en matematisk model for sit system(organismen), og vha. beregninger og praktiske forsøg afprøveog forbedre den. Disse modeller kan have mange forskelligeformer. Således anvendes der både traditionelle kinetiske mo-deller i systembiologi til at beskrive dynamikken af enkeltebiosynteseveje og modeller der er afledt direkte fra data.Systembiologien er blevet en tværfaglig videnskab, og manfinder derfor både ingeniører, kemikere, biologer, fysikere, sta-tistikere og computerprogrammører inden for feltet.Den systembiologiske tilgang til metabolismens lagGenomet: Ud over at se genomet som en liste af gener arbejderforskere også med genomet set som et system, hvor eksempel-vis den fysiske placering af gener, den samlede DNA-sekvensinkl. stykker mellem gener (ikke-kodende DNA) og DNA-strengens fysisk/kemiske egenskaber tages i betragtning. Disci-plinen kaldes »comparative genomics« og bruges ofte til atfinde ligheder og forskelle på tværs af arter. Nogle af de føren-de i verden til at udvikle nye metoder til dette og grafisk repræ-sentation af genomets enorme datamængder (figur 3) er Centerfor Biologisk Sekvensanalyse (CBS) på DTU. På deres megetbesøgte hjemmeside stilles et antal værktøjer og sammenlig-ninger til rådighed [16].Transkriptomet: Måling af niveauet af alle forskelligemRNA-molekyler i cellen kan give et indblik i den komplekseregulering af stofskiftet. På trods af, at mRNA oversættes tilproteiner, er denne oversættelse ikke udelukkende kvantitativtafhængig, men snarere afhængig af RNA-strengens kemiskesammensætning og fysiske egenskaber. Man kan derfor ikkeumiddelbart bruge målinger af RNA-koncentrationer til at be-stemme koncentrationen og aktiviteten af enzymer og andreproteiner. Derimod kan man se på relative ændringer mellemcellens transkriptom i to tilstande. Til dette formål brugesDNA-chips eller DNA-mikroarrays, som kan måle på over30.000 forskellige mRNA-molekyler fra samme prøve samti-dig. Eksperimenter udført med disse metoder giver ved mate-matikken og statistikkens hjælp en indsigt i reguleringen afhele cellens stofskifte, og dermed hvordan cellen tilpasser sigforskellige forhold. Disse metoder er afhængige af, at genom-sekvensen for den interessante organisme er tilgængelig.Proteomet: Den samlede biologiske funktion af en celle er ihøj grad defineret af dens niveau og sammensætning af protei-ner. Af den grund er det særdeles interessant at analysere prote-omet [10]. Den oftest benyttede måde til at evaluere en kom-pleks blanding af proteiner er en kombination af separation ogmassespektrometri (MS). Proteinernes teoretiske masse kan be-regnes ud fra genomsekvensen, og dermed er det muligt atidentificere dem. Processen er meget arbejdskrævende, men gi-ver nogle interessante muligheder for studier af eksempelvisprotein-protein-interaktion i dynamiske komplekser [8], somellers ikke ville være mulige med en standardtilgang. Endvide-re er der udviklet metoder, der muliggør analyse af det såkaldtephospho-proteom [13], dvs. måling af alle proteiner der har enphosphorgruppe påsat (for mange proteiner spiller phosphory-lering en stor rolle i deres funktion i cellen).Der findes også metoder til at måle på metabolit- og flux-ni-veau (jf. figur 2). Nogle af disse beskrives nærmere i andre ar-tikler i denne udgave af Dansk kemi.Metabolisme-modeller - liv i computerenPå Center for Mikrobiel Bioteknologi (CMB) på DTU forsøger vibl.a. at koble information fra genomet med målinger og undersø-gelser fra de andre -omer i matematiske metabolisme-modeller. Idisse modeller beskrives hver bioreaktion - katalyseret af enzymer– vha. en ligning, hvor de ubekendte er specierne i den biokemi-ske reaktion. En simuleret celle består derved af et stort antal lig-ninger (typisk større end 750) og et endnu større antal ubekendte.Ligningssystemet løses vha. et stort antal simple massebalancer ogoptimering efter størst mulig væksthastighed. Resultatet er værdierfor strømme (fluxe) af metabolitter gennem alle de enkelte enzy-mer i cellens metabolisme.På CMB er der blevet konstrueret modeller af bakterier [2], ba-gegær[5] og skimmelsvampe[4], alle brugt i industriel produktionaf kemikalier. Ved at slette og tilføje gener (dvs. ligninger) i com-putermodellen kan man i flere tilfælde med sikkerhed forudsigemåder at optimere kemikalieproduktion i cellen på. På CMB ar-bejdes især med ethanol-, antibiotika- og enzymproduktion.En anden styrke ved disse modeller er, at de kan betragtessom et netværk af enzymer, reaktioner og kemiske stoffer ogFigur 2. Beskrivelse af de forskellige systemniveauer i cellens metabolisme.DNA transskriberes til mRNA som oversættes til proteiner. Kemikalier istofskiftet (metabolitter) omdannes af proteiner (enzymer). Strømmene afmasse gennem systemet kaldes for fluxe.17 dansk kemi, 87, nr. 3, 2006BIOTEKNOLOGIdermed en slags kort over cellens stofskifte. Det er derfor mu-ligt at integrere viden fra DNA-chips, proteom- og metabolom-målinger i netværket, og på denne måde vise på systemniveauhvordan cellen reguleres [11].Den nyere tids genomforskning har altså muliggjort system-biologien, som gennem sine metoder er et værdifuldt værktøjtil at lære om cellen som biologisk reaktor. Især den matemati-ske modellering har vist sig at kunne give meget informationom organismers potientale som celle-fabrikker.E-mail-adresseMikael Rørdam Andersen: mr@biocentrum.dtu.dkReferencer:1. Oxford Dictionary of English. Oxford University Press. 2005.2. Borodina I, Krabben P, Nielsen J. Genome-scale analysis ofStreptomyces coelicolor A3(2) metabolism. Genome Res.200515(6):820-829.3. Cummings L, Riley L, Black L, Souvorov A, Resenchuk S,Dondoshansky I, Tatusova T. Genomic BLAST: custom-defined virtualdatabases for complete and unfinished genomes. FEMS Microbiol Lett.2002;216(2):133-138.4. David H, Akesson M, Nielsen J. Reconstruction of the central carbonmetabolism of Aspergillus niger. Eur J Biochem. 2003;270(21):4243-4253.5. Forster J, Famili I, Fu P, Palsson BO, Nielsen J. Genome-scalereconstruction of the Saccharomyces cerevisiae metabolic network.Genome Res. 2003;13(2):244-253.6. Fleischmann RD. et al. Whole-Genome Random Sequencing andAssembly of Haemophilus Influenzae Rd. Science.1995;269(5223):496-5127. Gavin AC, Aloy P, Grandi P, Krause R, Boesche M, Marzioch M, RauC, et al. Proteome survey reveals modularity of the yeast cellmachinery. Nature. 2006;Jan.8. Griffin TJ, Goodlett DR, Aebersold R. Advances in proteome analysis bymass spectrometry, Current Opinion in Biotechnology. 2001; 12(6):607-612.9. Jensen LJ, Friis C, Ussery DW. Three views of microbial genomes. Res.Microbiol. 1999; 150:773-77710. Keilberg V, Rasmussen L. Proteiner - oprensning og karakterisering.Gads Forlag. 2001.11. Patil KR, Nielsen J. Uncovering transcriptional regulation ofmetabolism by using metabolic network topology.Proc Natl Acad SciUSA. 2005;22;102(8):2685-2689.12. Pedersen AG, Jensen LJ, Brunak S, Staerfeldt HH, Ussery DW. A DNAstructural atlas for Escherichia coli. J. Mol. Biol. 2000; 299:907-93013. Ptacek J, Devgan G, Michaud G, Zhu H, Zhu X, Fasolo J, Guo H, et al.Global analysis of protein phosphorylation in yeast. Nature.2005;438(1):679-684.14. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/index.html15. http://www.cbs.dtu.dk/services/GenomeAtlas/16. http://www.cbs.dtu.dk/17. http://www.cbs.dtu.dk/databases/DOGS/index.php18. http://www-sequence.stanford.edu/group/yeast_deletion_project     /deletions3.htmlFigur 3. Grafisk repræsentation af tarmbakterien E. coli’s kromosom vha. et såkaldt genomatlas. De koncentriske ringe viser forskellige fysiske egenskaber forDNA-strengen. De blå og røde felter i fjerde ring er placeringen af gener [7,9,12]. Lavet af Dave Ussery, CBS, DTU.

Genomet: Systembiologiens rygrad

http://orbit.dtu.dk/ws/files/3039945/mikael.pdf

Genomet: Systembiologiens rygrad

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology