7. fejezet - Szétvágó-összeillesztő rendszerek

Tartalom

7.1. DNS-ek vágása és összeillesztése
7.1.1. DNS-ek vágása -- vágóenzimek újra
7.1.1 Ragadós végű DNS molekulák összeragadása
7.2. Elméleti leírás
7.2.1. Szétvágó-összeillesztő művelet nyelvekre
7.2.2. Iterált H-rendszerek
7.2.3. Kiterjesztett H-rendszerek
7.2.4. Multiplicitásos H-rendszerek
7.2.5. További H-rendszer modellek

Ebben a fejezetben egy további formális modellcsaládot mutatunk be, ami a Watson-Crick komplementaritás kihasználására épül. A szétvágó-összeillesztő rendszereket (angolul splicing systems) Tom Head vezette be 1987-ben, pár évvel Adleman kísérlete előtt. Ezeket a rendszereket a kitalálójuk neve alapján, H-rendszereknek is hívják. T. Head az ún. vizes számítások (aqueous computing) atyja. A vizes számítás arra utal, hogy a hagyományos számítógépekkel (amelyeknek a víz halálos ellenségük) ellentétben a DNS számítások vizes közegben mennek végbe. Ezekben a modellekben a ragadós végek, a ragadós végű molekulákat előállító vágóenzimek és a ligáz játszák a fő szerepet.

7.1. DNS-ek vágása és összeillesztése

7.1.1. DNS-ek vágása -- vágóenzimek újra

A vágóenzimekről már ejtettünk szót a 2.9.1. alfejezetben. Ezen rendszerek számításai a vágóenzimek által hagyott ragadós végű molekulákon alapul. A ragadós végek kapcsolódási lehetőséget teremtenek más megfelelő ragadós véggel rendelkező molekulákkal.

A 7.1. táblázatban néhány korábban ismertetett és néhány újabb vágó enzim felismerési mintáját és vágását mutatjuk be, valamint bevezetünk egy olyan jelölést, amivel maga a minta és a létrejött ragadós végek is könnyen leírhatóak. Láthatjuk, hogy a két ragadós vég valójában azonos típusú minden esetben (vagyis akár az 5', akár a 3' szálon keletkezik, mindkét a vágás során létrejött molekulán ugyanazon a szálon).

A táblázatban a létrejövő ragadós vég szabad végét jelöltük meg, a fajtájának megfelelően (5' vagy 3' jellel). Mindig a felső szálon létrejött ragadós véget írtuk előre. Egy vágást egy rendezett hármassal írhatunk le (táblázat utolsó oszlopa), ami a felső szálat tekintve, a felismerési minta elejéből, a szétvágott részből (lépcső), és a minta utolsó részéből áll. Ahhoz, hogy egyértelműen le tudjuk írni, mit is jelent a vágás, fontos tudni, hogy melyik létrejött molekulának melyik szála hosszabb, melyiken van a ragadós vég. Ez alapján két típusról beszélhetünk: a vágás lépcsője lehet:

  • L: lefele lépcső, ami egyébként hasonlít az L betű alakjára is (ez az eset jelenti az 5'-s ragadós végeket), vagy

  • F: felfele lépcső, ami pedig az F alakjára hasonlít (3'-s ragadós végek).

A vágás lépcsőjét ismerve, elegendő a felismerési minta felső szálának bázissorrendjét megadni és azon belül a két szál vágási pontjait bejelölni, így pl. a (G,AATT,C) jelentése, hogy a felismerési minta az 5' irányból olvasott láncon GAATTC, míg a vágási pontos az egyik láncon a G és A között, a másik láncon pedig a T és C közötti helyen történik. Ismerve a típust, jelen esetben ez , azaz Lefele lépcső, egyértelmű, hogy az első vágási pont, a G és A közötti van a megadott felső láncon, míg a másik vágási pont ott van ahol a felső láncbeli T és C komplenterei vannak.

7.1. táblázat - Vágóenzimek, és működésük, valamint tömör leírásuk

Enzim neveFelismerési mintaRagadós végekVágás típusaTömör leírás
EcoRI

GAATTC

CTTAAG

5' AATT, TTAA 5'

L: (G,AATT,C)L
XmaI

CCCGGG

GGGCCC

5' CCGG, GGCC 5'

L: (G,GGCC,C)L
PstI

CTGCAC

GACGTC

TGCA 3', 3' ACGT

F: (C,TGCA,G)F
BamHI

GGATCC

CCTAGG

5' GATC, CTAG 5'

L: (G,GATC,C)L
BglII

AGATCT

TCTAGA

5' GATC, CTGA 5'

L: (A,GATC,C)L
TaqI

TCGA

AGCT

5' CG, GC 5'

L: (T,CG,A)L
SciNI

GCGC

CGCG

5' CG, GC 5'

L: (G,CG,C)L
HhaI

GCGC

CGCG

CG 3', 3' GC

F: (G,CG,C)F

Láthatjuk, hogy vannak enzimek azonos felismerési mintával rendelkeznek, sőt a vágási pontok is ugyanott vannak, de nem ugyanazon a láncon, így nem egyforma típusúak, pl. SciNI és HhaI. Vannak olyan enzimek is, és ezek lesznek számunkra e modell szempontjából a fontosak, amik ugyanolyan típusúak és ugyanolyan ragadós végeket hoznak létre, pl. az EcoRI és a BglII; vagy a TaqI és a SciNI. (Csak zárójelben jegyezzük meg, hogy a DNS molekulák a térben bárhogyan elhelyezkedhetnek, ami miatt a ragadós végeket, mint sztringeket akár a fordított sorrendjükben is felírhatjuk, pl. TTAA 5' helyett írhatunk 5' AATT-t is, vagy TGCA 3' helyett 3' ACGT-t is. A táblázatban inkább arra törekedtünk, hogy a jobb követhetőség kedvéért, a megfelelő ragadós véget úgy tüntessük fel, ahogy az felismerési mintában előfordult az adott szálat tekintve.)

Itt jegyezzük meg azt is, hogy a DNS molekulákkal történő kísérletek jó terepet adtak olyan laborok üzleteinek, amelyek katalógusaiból rendelhetőek a különböző (vágó)enzimek. Ezek segítségével könnyen tervezhetőek az ilyen jellegű kísérletek, a katalógusból összeválogathatóak a megfelelő enzimek, amik segítségével a tervnek megfelelő molekulákat a megfelelő helyen és módon lehet elvágni...

7.1.1 Ragadós végű DNS molekulák összeragadása

Ha két molekula ragdós végei azonos típusúak, és azok egymás komplementer láncai (ilyen eset pl., ha ugyanazzal az enzimmel lettek elvágva, vagy amint említettük különböző enzimmel, amik ugyanolyan ragadós végeket hoznak létre), akkor ezek a végek összeragadhatnak összekapcsolva a két molekulát, ezzel új molekulát hozva létre. Ez az újonnan létrejött molekula nem feltétlenül egyezik meg egy korábban már az oldatban (a rendszerben) levő molekulával.

27. Példa Tekintsük a

5' CCCCCGGATCCC 3'
3' GGGGGCCTAGGG 5'

molekulát. Tegyük fel, hogy a molekuláris levesben ilyen molekulák vannak, illetve a BamHI vágóenzim. Ekkor az enzim vágásával létrejöhetnek a

5' CCCCCG 3'   5' GATCCC 3'
3' GGGGGCCTAG 5'   3' GG 5'

molekulák.

Az előbbi (térbeli forgatással, vagyis éppen a másik végéről tekintve) a következő alakban is felírható:

5' GATCCGGGGG 3'
    3' GCCCCC 5'

Hasonlóan másik a molekula pedig

5' GG 3'
3' CCCTAG 5'

alakban is írható. Ekkor, ha a vágással létrejövő két különböző molekula ragadós végei tapadnak össze, és van ligáz az oldatban, visszakaphatjuk az eredeti

5' CCCCCGGATCCC 3'
3' GGGGGCCTAGGG 5'

molekulát. Viszont az is előfordulhat, hogy nem két különböző, hanem két ugyanolyan molekula tapad össze, így a ligáz segítségével a

5' CCCCCGGATCCGGGGG 3'
3' GGGGGCCTAGGCCCCC 5'

és a

5' GGGATCCC 3'
3' CCCTAGGG 5'

molekulák jönnek létre.

Mind a háromféle molekula, ami létrejöhet ily módon ugyancsak vágható a BamHI enzimmel. Ugyanaz a kétféle ragadós végű molekula jöhet létre, ami az eredeti molekula szétvágásakor.

35. Feladat. Írjon fel olyan molekulákat amelyek a

5' GGGGGGATCCCGGATCCGGGGGGGGGG 3'
3' CCCCCCTAGGGCCTAGGCCCCCCCCCC 5'

molekulából a BamHI vágóenzim és a ligáz segítségével előállítható.

Tehát a ragadós végű molekulák összekapcsolódhatnak ily módon újabb DNS molekulákat hozva létre. Ezeket a molekulákat először a ragadós végek közti hidrogénkötések tartják össze. A molekula (gerincének) stabilizálására a ligáz enzim szolgálhat, amely a két szálon a kovalens kötéseket képes létrehozni, ezzel teljessé téve a molekulát.

A szétvágó-összeillesztő rendszerekben, ahogy a nevük is mondja, alapvetően a következő két fő művelet alkalmazható:

  • szétvágás adott (felismerési) minta alapján, (pl. a 7.1. táblázatban jelölt módokon),

  • összeillesztés: rekombináció a ragadósvégek és a ligáz segítségével.

A rekombinációhoz tehát fontos, hogy melyik molekulának melyik szála hosszabb: csak az azonos típusú molekulák tudnak összekapcsolódni. Emiatt általában egyszerre csak olyan vágóenzimeket szoktunk használni, amelyek mind azonos típusúak (vagyis mind azonos típusú ragadós véget hoz létre). Ennek megfelelően a formális modell leírásakor általában az indexbe írt lépcsőalaktól el szokás tekinteni.