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¿Cómo se lee el ADN?

¿Cómo se lee el ADN?


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Pequeña pregunta extraña aquí. Me dijeron que el ADN se leía en grupos de tres.

Asumiendo esto, mi pregunta es: ¿De qué manera describiría mejor cómo se lee el ADN?

(123) 456789 a 123 (456) 789 a 123456 (789) o (123) 456789 a 1 (234) 56789 a 12 (345) 6789

Suponiendo que la cadena de números 123456789 representa una secuencia de ADN.


El ADN codifica proteínas a través de codones. Un codón es una combinación de tres nucleótidos. Como hay 4 nucleótidos diferentes disponibles en el ADN, hay 64 permutaciones posibles. Estos 64 codones codifican los 20 aminoácidos y los 3 codones de parada. Por lo tanto, muchos aminoácidos están codificados por varios codones diferentes; se dice que el código genético es redundante.

Normalmente, las secuencias de ADN tienen un único marco de lectura (pero consulte la respuesta de @ user3790338 para conocer una interesante excepción a esta regla). El marco de lectura está, básicamente, definido por el primer aminoácido de la proteína que decodifica. A partir de entonces, cada triplete subsiguiente es un codón, de forma no superpuesta (123 - 456 - 789 - etc.). Tenga en cuenta que las secuencias de ADN contienen los llamados intrones que intervienen en el ADN codificante. Estas regiones se eliminan postranscripcionalmente. En aras de la claridad, las he ignorado en mi respuesta.

Sin embargo, hay que darse cuenta de que esta codificación del ADN solo es importante fisiológicamente durante la traducción, es decir, cuando el ARNm se traduce en una proteína. Es el ribosoma el que realmente lee los codones y los codones de parada para determinar qué aminoácido se incorporará a la proteína en crecimiento y cuándo detener la traducción. Por lo tanto, aunque leemos las secuencias de ADN en términos de codones, la maquinaria celular no lee el ADN, lee el ARNm.


Suponiendo que la primera posición de codificación es 1, el ADN se leerá como: (123) 456789 a 123 (456) 789 a 123456 (789). Hay bastantes excepciones a esto, p. Ej. algunos virus (por ejemplo, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1966841), donde los marcos de lectura se superponen como en su segundo ejemplo. Esto se debe a que el genoma viral es mucho más pequeño y necesita codificar todas sus proteínas en la menor cantidad de ácido nucleico posible. Tenga en cuenta que hay más de una forma de superponer los fotogramas.


El ADN bacteriano se puede leer hacia adelante o hacia atrás

Las bacterias contienen simetría en sus señales de ADN que les permiten leerse hacia adelante o hacia atrás, según nuevos hallazgos de la Universidad de Birmingham que desafían el conocimiento existente sobre la transcripción de genes.

En todos los organismos vivos, el código de ADN se divide en secciones que proporcionan información sobre un proceso específico. Deben leerse antes de poder utilizar la información. Las celdas identifican el comienzo de cada sección utilizando "señales", que los científicos identificaron por primera vez en la década de 1960.

Siempre se ha asumido que estas señales permiten leer las secuencias genéticas en una sola dirección. Sin embargo, el nuevo estudio, publicado en Nature Microbiology, muestra que los organismos unicelulares tienen señales simétricas de ADN. Esto significa que el código de ADN se puede leer en cualquier dirección.

El autor principal, el profesor David Grainger, explica: "La mayoría de los estudios sobre la señalización genética pasan por alto la simetría, pero creemos que esto es increíblemente significativo y representa un nivel completamente nuevo de genes reguladores que aún no se ha investigado".

Las razones precisas de la lectura bidireccional aún no están claras y requerirán una mayor investigación. Una teoría que el equipo está considerando es que ayuda a evitar leer "colisiones" con otras secuencias.

Aunque el estudio actual se centra principalmente en las bacterias, el equipo especula que es probable que la simetría del poste indicador se encuentre también en humanos, animales y otros organismos. El siguiente paso de la investigación será investigar el fenómeno en las células de levadura que se parecen más a las células humanas.

El profesor Grainger agrega: "Comprender cómo se leen los genes es fundamental para muchas ramas de la biotecnología. Muchos medicamentos, por ejemplo, dependen de poder controlar cómo se leen los genes, por lo que es importante comprender completamente cómo funcionan estas señales y cómo podemos utilizar ese conocimiento para mejorar la atención médica ".


Base par

A Base par se refiere a dos bases que forman un "peldaño de la escalera del ADN". Un ADN nucleótido está compuesto por una molécula de azúcar, una molécula de ácido fosfórico y una molécula llamada base. Las bases son las "letras" que explican el código genético. En el ADN, las letras de código son A, T, G y C, que representan las sustancias químicas adenina, timina, guanina y citosina, respectivamente. En emparejamiento de bases, la adenina siempre se empareja con la timina y la guanina siempre se empareja con la citosina.

Más: El ADN se 'lee' en una dirección específica, al igual que las letras y palabras en el idioma inglés se leen de izquierda a derecha. Cada extremo de la molécula de ADN tiene un número. Un extremo se conoce como 5 '(cinco primos) y el otro extremo se conoce como 3 '(tres primos). Las designaciones 5 'y 3' se refieren al número de átomos de carbono en una molécula de azúcar desoxirribosa al que se une un grupo fosfato.

Esta diapositiva muestra cómo se numeran los carbonos en los azúcares, para ayudarlo a determinar qué extremos son 5 'y cuál es 3'. Una vez que averigüe la dirección en la que se lee una hebra, automáticamente sabrá la dirección en la que leer la otra hebra. Esto se debe a que las dos hebras también son antiparalelo (corren en direcciones opuestas), como se menciona en la diapositiva anterior.


Transcripción en células procariotas y eucariotas

Dr. Elena Kiseleva / BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA / Getty Images

Si bien la transcripción ocurre tanto en células procariotas como eucariotas, el proceso es más complejo en eucariotas. En procariotas, como las bacterias, el ADN es transcrito por una molécula de ARN polimerasa sin la ayuda de factores de transcripción. En las células eucariotas, los factores de transcripción son necesarios para que se produzca la transcripción y existen diferentes tipos de moléculas de ARN polimerasa que transcriben el ADN según el tipo de genes. Los genes que codifican proteínas son transcritos por la ARN polimerasa II, los genes que codifican los ARN ribosómicos son transcritos por la ARN polimerasa I y los genes que codifican los ARN de transferencia son transcritos por la ARN polimerasa III. Además, los orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos tienen sus propias ARN polimerasas que transcriben el ADN dentro de estas estructuras celulares.


ChIP en serie: ChIP secuencial

Amit Paul, Nicole C.Riddle, en Métodos de epigenética, 2020

2.2.1 Huella de ADN

Para superar las limitaciones de la EMSA, que no proporciona información sobre las secuencias de ADN con las que interactúa una proteína de cromatina en particular, se utiliza la huella de ADN. El método de huella de ADN se basa en el principio de que el sitio donde una proteína se une al ADN está protegido de la digestión con nucleasas, lo que significa que al aislar los fragmentos de ADN “protegidos” se puede identificar el sitio de unión de proteína preciso [38-40]. La huella de ADN es una técnica muy sensible, existen protocolos robustos y es un método excelente de elección para identificar motivos de unión en un contexto de secuencia limitado [41]. Inicialmente, la huella se desarrolló como un in vitro técnica, los métodos más nuevos permiten el estudio de las interacciones ADN / proteína en vivo. Mueller y sus colegas desarrollaron PCR mediada por ligadura (LMPCR) en 1989 para estudiar la interacción entre el potenciador regulado por el desarrollo del gen de la creatina quinasa muscular (MCK) y el regulador miogénico MyoD1 (Diferenciación miogénica 1) [42]. El enfoque de huella de LMPCR demostró que MyoD1 estaba unido en varios sitios en la región potenciadora de MCK transcrita activamente en células musculares diferenciadas pero ausente en estos sitios en células miogénicas no diferenciadas [42]. De manera similar, se utilizó la huella LMPCR para demostrar que el mdm2 El promotor oncogénico contiene un elemento de respuesta p53 que se une a p53 durante la activación transcripcional de mdm2 [43]. Se utilizó la digestión con endonucleasas de restricción seguida de LMPCR para mapear la densidad de la polimerasa en la respuesta al choque térmico. Hsp82 promotor [44], y en vivo Se utilizó LMPCR para demostrar que el factor de transcripción NFI actúa como un poderoso represor de la transcripción del gen p21, uniendo un sitio diana entre la posición de nucleótidos 161 y 149 en relación con el sitio de inicio de la transcripción (TSS) [45]. Estos ejemplos ilustran que los métodos de huella de ADN siguen siendo útiles para el estudio de las interacciones proteína / ADN en el contexto de la cromatina, específicamente si se necesita una resolución muy alta en un pequeño número de loci.

En los últimos años, se han realizado esfuerzos para desarrollar métodos de genoma completo para la huella de ADN. Por ejemplo, DNasa-seq (secuenciación de sitios hipersensibles de DNasa I), desarrollada por Boyle y sus colegas en 2008, una técnica en la que los núcleos se digieren con DNasa I (desoxirribonucleasa I) y después de varios pasos de procesamiento que incluyen reparación de extremos, ligadura de ligadores y digestión, las secuencias adyacentes a los sitios de corte de DNasa I se identifican mediante secuenciación de próxima generación [46] (para un protocolo detallado, ver [47]). Boyle y sus colegas utilizan esta técnica para mapear sitios hipersensibles a la DNasa I en células T CD4 primarias humanas (grupo de diferenciación 4) +, lo que les permite mapear regiones de cromatina abierta en todo el genoma [46]. Hesselberth y sus colegas utilizaron un método similar que implica la digestión de DNasa I seguida de secuenciación de próxima generación para llevar a cabo la “huella genómica digital” [48]. Su análisis de la cromatina de levadura reveló un gran número de regiones protegidas indicativas de unión al factor de transcripción o nucleosomas posicionados con precisión [48]. Los enfoques de huellas de ADN en todo el genoma continúan evolucionando y, en 2019, Oh y sus colegas introdujeron XL (entrecruzamiento) -DNase-seq, que incluye un paso de entrecruzamiento ligero para permitir el mapeo de factores con tasas de ocupación de cromatina más cortas. [49]. Estos ejemplos ilustran que los investigadores que necesitan información de alta resolución sobre la unión de los componentes de la cromatina siguen utilizando la huella de ADN.


De la célula al ADN

Crédito de la foto: Clipart.com

Objetivo

Introducir a los estudiantes a la información genética almacenada en el ADN dentro del núcleo de la célula humana.

Contexto

El objetivo de esta lección es presentar a los estudiantes la célula humana y su ADN como la información genética que gobierna cómo funcionará la célula. Se recomienda impartir esta lección antes de profundizar en el proceso más técnico y bioquímico de replicación, transcripción y traducción.

Al aprender sobre las células, los estudiantes a menudo saltan inmediatamente a las estructuras y funciones. Este enfoque compartimentado se presta a malinterpretar la relación entre las células y los organismos vivos que las componen. Los libros de texto de biología describen las células como los componentes básicos de la vida, sin embargo, los estudiantes a menudo no pueden explicar cómo algo tan pequeño puede ayudar a formar un ser humano, un árbol o una bacteria. Los estudiantes a menudo piensan que las células flotan dentro de las estructuras, ya que las células sanguíneas se representan moviéndose a través de arterias y venas. Incluso el uso de cierto lenguaje puede promover este tipo de pensamiento erróneo. La frase "células en el corazón" puede entenderse en el sentido de que hay células que están dentro del corazón, pero que en realidad no forman el corazón en sí. Las investigaciones indican que puede ser más fácil para los estudiantes comprender que la célula es la unidad básica de estructura (que pueden observar) que que la célula es la unidad básica de función (que debe inferirse de los experimentos) (Dreyfus & amp Jungwirth, 1989). En esta lección, los estudiantes comenzarán a comprender las células como una unidad básica de estructura y comenzarán a explorar cómo el ADN informa la función de la célula.

La investigación también muestra que los estudiantes de secundaria pueden tener varios conceptos erróneos sobre las células después de la instrucción tradicional (Dreyfus & amp Jungwirth, 1988). Si bien los estudiantes aprenden los detalles de la mitosis, la respiración celular y la fotosíntesis, a menudo no se aborda la comprensión más amplia de cómo estos procesos químicos y biológicos detallados se relacionan con la vida y el crecimiento. Además, a los estudiantes generalmente se les enseña la forma y función de las células & ldquotypical & rdquo, a menudo de forma aislada a otras células. Se destacan las diferencias entre células procariotas y eucariotas, así como las diferencias entre células vegetales y animales. Conceptualmente, esto anima a los estudiantes a creer que todas las células vegetales son física y morfológicamente iguales, y lo mismo ocurre con todas las células animales. Dado que las células a menudo se estudian de forma aislada, especialmente a través de dibujos o modelos de prototipos de células animales y vegetales individuales, es posible que los estudiantes tampoco sean capaces de describir cómo las células de un organismo se comunican y se relacionan entre sí.

Finalmente, los estudiantes a menudo no pueden reconciliar dos conceptos que se enseñan durante una unidad de biología celular. Por un lado, aprenden que toda la información genética que codifica un organismo vivo está codificada dentro del ADN celular y rsquos y que este código genético es el mismo en cada célula del organismo vivo. Sin embargo, por otro lado, los estudiantes aprenden que las células se diferencian y se especializan. Pueden convertirse en células del hígado, xilema, tiroides, etc. ¿Cómo pueden dos células de un organismo vivo tener exactamente la misma información genética y, sin embargo, convertirse en diferentes tipos de células con funciones y morfología especializadas?

Esta lección es para el nivel de secundaria y asume que los estudiantes tienen información previa sobre las células y el ADN. La sección de Motivación y el comienzo del Desarrollo de esta lección lo ayudarán a determinar las ideas preconcebidas de los estudiantes.

Motivación

Unos días antes de la lección, pregunte a los alumnos: "¿De qué están hechos los seres vivos?". Pida a los alumnos que escriban no más de tres respuestas en una hoja de papel en blanco o en una ficha. No es necesario que escriban sus nombres en sus respuestas, pero asegúrese de que todos los estudiantes participen en esta breve actividad. Recopile las respuestas y organícelas en categorías fuera del horario de clase. La actividad también se puede hacer verbalmente pidiendo a los estudiantes que compartan sus respuestas y escribiéndolas en la pizarra. Sin embargo, la experiencia pasada con esta actividad ha demostrado que: 1) no todos los estudiantes contribuyen a la discusión con sus pensamientos, lo que le impide determinar lo que piensan todos los estudiantes, y 2) los estudiantes a veces son tímidos para compartir los primeros pensamientos o términos que surgen. su mente, como & ldquosperm & rdquo. Recopilar respuestas de forma anónima garantiza que conozca las ideas preconcebidas de todos los estudiantes.

Escriba la lista final de palabras y frases en la pizarra o en el rotafolio. Los términos relacionados deben agruparse, como & ldquocarbon, & rdquo & ldquowater, & rdquo y & ldquoatoms & rdquo. El término & ldquocell & rdquo generalmente lo aportarán los estudiantes. También puede incluir los términos & ldquotissue & rdquo y & ldquoorgan. & Rdquo

Pida a los alumnos que organicen los términos en el orden de su relación entre ellos. Facilite la discusión a través de preguntas orientadoras, como:

  • ¿Cuál es la relación entre el carbono y los átomos?
  • ¿Cómo podemos organizar estos términos de acuerdo con el tamaño del artículo?
  • ¿Hay otras cosas dentro de las células además del ADN?
  • ¿Cuáles son algunos ejemplos de células? (Aquí es donde se pueden incorporar términos como & ldquosperm & rdquo o & ldquored blood cell & rdquo.)

El resultado puede parecerse más a una red que a una lista. Dígales a los estudiantes que la clase comenzará una unidad sobre biología celular, donde aprenderán sobre diferentes tipos de células, sus funciones y sus diversos compartimentos. Señale que las células a menudo se describen como los componentes básicos de la vida. Sin embargo, las células mismas se componen de diferentes partes, cada una con una función específica.

Desarrollo

En esta parte de la lección, el alumno examinará las celdas más de cerca explorando algunas animaciones e interactivos en línea. Comience preguntando a los estudiantes:

    Es posible que haya aprendido que la mitad de la información genética de un ser humano proviene de la madre y la otra mitad del padre. ¿Qué es esta información genética?
      (Es ADN).
      (Viene del huevo).
      (Viene del esperma).

    Analice con los alumnos que cuando el óvulo y el espermatozoide se unen, forman una célula embrionaria que contiene un conjunto completo de ADN.

      ¿Cómo es que esa primera célula embrionaria se convierte en dos o tres o cuatro y así sucesivamente?
        (Empieza a dividirse.)
        (El ADN se duplica y se divide con cada división celular).

      Comparta con los estudiantes que cada célula tiene la misma copia de la información genética que estaba en la primera célula embrionaria. Muestre a los estudiantes la animación Animal Cell Mitosis y describa cómo las dos células que se producen a partir de la división celular son exactamente iguales a la primera célula. Si esto sigue sucediendo una y otra vez, como ocurre con los embriones, entonces cada célula es una réplica de la primera célula con el mismo ADN que estaba en esa primera célula. Con base en esto, pida a los estudiantes que consideren de dónde proviene el hígado, o el corazón, la piel, el cerebro, los huesos, etc.

      Muestre a los estudiantes la Figura 1 de Células y tejidos animales. Alternativamente, puede imprimir la imagen y entregársela a los estudiantes como una hoja. Pregunte a los estudiantes:

      Describe cómo cada tipo de célula del estómago tiene una función diferente. Por ejemplo, las células del tejido del músculo liso se contraen y expanden permitiendo que los alimentos y los nutrientes se muevan a lo largo del tracto digestivo. Las células del epitelio columnar recubren el interior del estómago y absorben nutrientes en el torrente sanguíneo. Los glóbulos rojos proporcionan oxígeno a todas las demás células del estómago. Las células que forman el tejido nervioso transmiten mensajes nerviosos hacia y desde el cerebro. Las células que forman el tejido conectivo sostienen y protegen el estómago. También puede revisar cómo las células difieren morfológicamente entre sí. Recuerde a los alumnos que todas estas células son el resultado de la división celular de una célula anterior. En última instancia, la primera célula de ese organismo fue la célula embrionaria que contenía ADN tanto del óvulo como del esperma. Esto significa que la división celular da como resultado células que son genéticamente idénticas entre sí. Los cinco tipos de células que los estudiantes revisaron en el diagrama tienen exactamente la misma información genética. En otras palabras, aunque las células difieren en morfología y función, son genéticamente idénticas.

      Pida a los alumnos que utilicen la hoja electrónica del alumno Presentando la célula humana y el ADN para acceder a la animación en línea De la célula al ADN. Los estudiantes deben pasar por la animación y responder las preguntas correspondientes. Pueden escribir sus respuestas en la hoja del estudiante From Cell to DNA.

      Repase las preguntas con los estudiantes. Explique cualquier vocabulario nuevo introducido por la animación, como bacteria, eucariota, micrómetros, nanómetros, proteínas histonas y molécula polimérica. Repase con los estudiantes que una característica única de las células eucariotas es la presencia de un núcleo, donde se almacena el ADN.

        La animación menciona que los humanos tienen 46 cromosomas. ¿Cuántos cromosomas provienen de la madre? ¿Del padre?
          (23 cromosomas provienen de cada padre).
          (Se replican y cada nueva célula obtiene una copia de los mismos 46 cromosomas).
          (Hay dos hebras que se envuelven entre sí en forma helicoidal, unidas por bases).

        Si está disponible, muestre a los estudiantes un modelo de ADN. Señale cómo la atracción entre las bases mantiene unida la estructura helicoidal. Muestre a los alumnos imágenes de la estructura molecular de las bases, señalando los diferentes elementos como el carbono y el hidrógeno. Recuerde a los estudiantes su actividad de lluvia de ideas durante la Motivación y señale que la unidad más pequeña es un átomo.

        Analice con los alumnos que cada célula del cuerpo humano tiene los mismos 46 cromosomas que todas las demás células. Es decir, la información genética almacenada en el núcleo de cada célula humana es idéntica a todas las demás células de ese organismo. Sin embargo, como los estudiantes vieron con la imagen del estómago, las células del cuerpo humano difieren entre sí en términos de función y morfología. ¿Por qué algunas células se convierten en células cardíacas mientras que otras se convierten en células hepáticas? ¿Cómo saben las células qué función deben realizar?

        Para explorar esta pregunta, los estudiantes deben usar su hoja electrónica para ir al Tour de los conceptos básicos en el sitio Learn Genetics y responder las preguntas correspondientes en la hoja electrónica. Pueden registrar sus respuestas en el cuestionario ¿Qué es el ADN? hoja de estudiante. Puede encontrar respuestas a las preguntas de ¿Qué es el ADN? hoja del maestro.

        Después de completar la actividad, repase las preguntas con los estudiantes. Analice con los alumnos que toda la información genética de una célula se almacena en el patrón de cuatro bases, que son adenina, guanina, citosina y timina. Estos se abrevian respectivamente A, G, C y T. El código genético completo de un organismo vivo y mdash, incluyendo cómo crecerá, funcionará y se verá cada célula, se almacena en el patrón de estas cuatro letras. El patrón de estas letras forma & ldquosentences & rdquo llamados genes. Un gen es un tramo de ADN que codifica una proteína. El ADN nunca abandona el núcleo, por lo que no puede realizar la función de la célula. En cambio, el ADN es como un plano compuesto por genes. Los genes son leídos por la maquinaria nuclear celular y rsquos y producen proteínas específicas. Cada gen codifica una proteína específica. Hay genes de proteínas que tienen que ver con la audición, la función cardíaca, la defensa inmunológica, la absorción de nutrientes, etc.

        Evaluación

          En su opinión, ¿cree que hay pocos o muchos genes?
            (Hay muchos genes en el ADN).
            (No.)
            (La función de la célula está relacionada con los tipos de proteínas producidas. Las células del corazón, por ejemplo, producen proteínas que son específicas para la función cardíaca. Las células del ojo, por otro lado, producirán proteínas específicas para la función del ojo. )
            (Las dos células están produciendo proteínas diferentes basadas en genes diferentes del ADN que está leyendo la maquinaria celular y rsquos. La célula del oído interno produce proteínas que tienen que ver con su función, y la célula del estómago hace lo mismo. Por eso se ven y funcionan de manera diferente).
            (Sí.)
            (Se producen a partir de la mitosis, que es la división celular en la que se replica el ADN. Todas las células tienen el mismo ADN que la primera célula embrionaria).
            (Cada célula tiene 46 cromosomas).
            (Sí.)
            (Los genes son segmentos de ADN. Si el ADN es el mismo en ambas células, los genes también son iguales porque son parte del todo).
            (No.)
            (Sí.)

          Pida a los estudiantes que consideren lo siguiente: Cada estudiante en el aula comenzó como una sola célula, producida a partir de un óvulo y un espermatozoide. Esa primera célula tenía 46 cromosomas, 23 aportados por cada padre. ¿Cómo se convirtió esa célula única en el ser humano en pleno funcionamiento que es hoy? Anime a los estudiantes a pensar en la división celular y en que las células se especializan en función de los genes que se activan dentro del ADN.

          Extensiones

          La extracción de ADN es una lección de Science NetLinks que brinda a los estudiantes la oportunidad de extraer ADN.

          Después de comprender el concepto de genes, los estudiantes pueden explorar el genoma humano y la importancia de descifrar todos los genes dentro del ADN humano. Utilice la lección Science NetLinks Cómo descifrar el código genético.

          Los estudiantes pueden explorar la función y la morfología de diferentes células del cuerpo humano mirando las diapositivas preparadas. Un Laboratorio de Histología en línea proporciona numerosas imágenes de portaobjetos humanos preparados que se pueden ampliar. Refuerce que, si bien las células dentro del cuerpo humano son diferentes, contienen la misma información genética: 46 cromosomas, donde la mitad proviene de la madre y la otra mitad del padre.

          Haga que los estudiantes vean el resto del Tour de los conceptos básicos interactivo en línea para obtener una comprensión más completa de cómo los genes codifican las proteínas que determinan la función real y la morfología de las células. Además, los estudiantes pueden aprender más sobre el ADN y compararlo con la información genética en un ratón y una flor a través de un juego interactivo en línea DNA The Double Helix. El Centro de aprendizaje de ADN de Dolan también ofrece planes de lecciones e interactivos en línea sobre el descubrimiento del ADN, la molécula, la tecnología genética y aplicaciones futuras.

          Para una actividad de laboratorio, pida a los estudiantes que observen las células de sus propias mejillas y extraigan ADN. Puede encontrar una lección para este experimento en Actividades prácticas para enseñar biología a estudiantes de secundaria o preparatoria.

          Se pueden encontrar recursos educativos e información sobre el Proyecto Genoma Humano en el sitio web del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano y rsquos.


          Friedrich Miescher y el descubrimiento del ADN

          En los últimos 60 años, el ADN ha pasado de ser una molécula oscura con presuntas funciones accesorias o estructurales dentro del núcleo al icono de la biociencia moderna. La historia del ADN a menudo parece comenzar en 1944 cuando Avery, MacLeod y McCarty demostraron que el ADN es el material hereditario. Diez años después de sus experimentos, Watson y Crick descifraron su estructura y se descifró otra década más sobre el código genético. Sin embargo, la historia del ADN ya comenzó en 1869, con el joven médico suizo Friedrich Miescher. Habiendo completado su educación como médico, Miescher se mudó a Tubinga para trabajar en el laboratorio del bioquímico Hoppe-Seyler, con el objetivo de dilucidar los componentes básicos de la vida. Al elegir leucocitos como su material de origen, primero investigó las proteínas en estas células. Sin embargo, durante estos experimentos, notó una sustancia con propiedades inesperadas que no coincidían con las de las proteínas. Miescher había obtenido la primera purificación cruda de ADN. Además, examinó las propiedades y la composición de esta sustancia enigmática y demostró que se diferenciaba fundamentalmente de las proteínas. Debido a su presencia en los núcleos de las células, denominó a la nueva sustancia "nucleína", un término que aún se conserva en el nombre actual de ácido desoxirribonucleico.


          Mike Kamdar, El futuro de la escritura de ADN y el negocio de la biología

          Mike Kamdar y su equipo de Molecular Assemblies están preparados para utilizar una nueva forma de sintetizar ADN. [+] revolucionará prácticamente cualquier industria que pueda imaginar.

          La mayoría de nosotros no nos damos cuenta de cuánto afecta la biotecnología a cada parte de nuestra vida diaria, desde los medicamentos que usamos hasta los alimentos que comemos e incluso la moda que usamos. Gran parte del mundo material está construido con biología, una tendencia que seguramente continuará.

          Pero, ¿cómo construimos realmente con la biología?

          La respuesta es la síntesis de ADN. Los bloques de construcción de toda la vida se componen de cuatro nucleótidos químicos, apodados A, C, T y G. Encadena estas mismas cuatro letras de diferentes maneras y obtienes un plátano, un mono, bacterias que producen el aroma del plátano o algo así. entre.

          Y a medida que la síntesis de ADN se vuelve más y más barata, los ingenieros biológicos están ideando formas cada vez más inteligentes de hacer un buen uso del ADN. Algunos podrían esperar, como en las ciencias de la vida, donde se pueden fabricar medicamentos contra el cáncer futuristas y medicina personalizada. Otros son un poco más sorprendentes, como cómo la industria química está recurriendo a la biología como el método preferido para fabricar bioelectrónica de alto rendimiento para los teléfonos que llevamos en el bolsillo.

          Y en el corazón de la industria de síntesis de ADN de miles de millones de dólares se encuentra un equipo enfocado de innovadores liderado por Mike Kamdar, CEO de Molecular Assemblies con sede en San Diego.

          Síntesis de fosforamidita: el corazón y el alma de la industria biotecnológica

          Los ensamblajes moleculares comenzaron hace más de 30 años cuando Bill Efcavitch y Curt Becker, entonces fundadores de la empresa pionera de biotecnología Applied Biosystems, comercializaron el primer método práctico para sintetizar ADN. Conocido como síntesis de fosforamidita, este método químico fue un gran avance y sigue siendo el estándar de la industria para la producción de ADN en la actualidad. Condujo a una amplia gama de herramientas y tecnologías que utilizan ADN y ayudó a generar la industria biotecnológica tal como la conocemos.

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          Bill Efcavitch, uno de los pioneros de la síntesis de ADN en el que se basa principalmente la industria biotecnológica. [+] construido.

          Pero incluso entonces Efcavitch y Becker reconocieron sus limitaciones inherentes. Específicamente, los productos químicos utilizados en el proceso dañaron el ADN incluso mientras se estaba fabricando, lo que limitó la longitud y la calidad del ADN que podría sintetizarse.

          “El método químico utilizado para sintetizar el ADN hoy en día es absolutamente maravilloso”, dice Efcavitch, un tipo increíblemente simpático que parece más un tío favorito que una leyenda científica. "Pero una vez que comienzas a construir ADN con más de 100 nucleótidos, tu productividad cae bastante rápido y eso no ha cambiado en varias décadas".

          Hay dos grandes desafíos más con la síntesis de fosforamidita actual. Primero, produce volúmenes significativos de desechos químicos tóxicos. En segundo lugar, a menudo requiere purificación y procesamiento posteriores a la síntesis.

          Entonces, en 2013, Bill y Curt fundaron Molecular Assemblies para crear un nuevo enfoque para la síntesis de ADN. Su objetivo era el santo grial del ADN: la síntesis enzimática.

          Cómo funciona la síntesis enzimática de ADN

          Para crear estas largas cadenas de A, C, T y G, necesita una enzima llamada polimerasa para agregar la letra correcta una tras otra. Con la síntesis de ADN tradicional, necesita una polimerasa específica para cada una de las letras, y el inicio y fin entre cada letra agregada implica un paso químico adicional. Pero Molecular Assemblies funciona con una polimerasa biológica que puede unir cualquiera de las cuatro letras. La polimerasa (en este caso, desoxinucleotidil transferasa terminal, o TdT) está diseñada para unir cualquier nucleótido que se le suministre y luego detener y proteger su trabajo. El tubo de reacción se lava de nucleótidos y el sistema se prepara para la siguiente ronda, agregando cualquier nucleótido que le suministre a continuación. Lavar, enjuagar, repetir.

          Este método es extremadamente preciso, lo que le permite hacer hebras realmente largas. Esto es algo con lo que la síntesis química lucha, especialmente a medida que las hebras se vuelven más y más largas, y aumentan las probabilidades de un error en algún lugar del camino.

          Hacer de la síntesis enzimática una realidad comercial

          Aquí es donde entra Mike Kamdar. En 2016, Molecular Assemblies lo reclutó para convertirse en presidente, director ejecutivo y miembro de la junta. Un veterano de la industria con experiencia en desarrollo empresarial y finanzas, había logrado $ 1 mil millones en acuerdos comerciales y recaudado más de $ 400 millones de capital de riesgo y mercados públicos. Kamdar también forma parte de los consejos de administración de Genoa Pharmaceuticals (una empresa que cofundó), Medipacs (presidente), Prime Genomics y Vault Pharma.

          En Molecular Assemblies, su trabajo consistía en construir la primera empresa en hacer de la síntesis enzimática una realidad comercial.

          En su corto tiempo al mando, Kamdar ha recaudado cerca de $ 20 millones, contrató a 18 personas y duplicó la huella de la empresa en un edificio nuevo de cinco pisos en San Diego. Recientemente cerró la Serie A de la compañía y ha reunido a un quién es quién en biotecnología para la junta directiva de la compañía, incluidos Helge Bastian (M2GEN, anteriormente Thermo Fisher), Todd Peterson (The Allen Institute, anteriormente Synthetic Genomics) y David Hwang ( Tecnologías Agilent).

          “Nucleic acid synthesis has been core to Agilent’s contribution to the advancement of the life science industry, and the enzymatic synthesis of DNA is poised to further enable a next generation of important nucleic acid-based products.”

          Darlene J.S. Solomon, Ph.D., Chief Technology Officer and Senior Vice President, Agilent Technologies

          Disrupting industries from health to electronics

          Now, Kamdar has set a bold vision for the future of DNA synthesis. “The thing that inspired me was the broad application for the technology,” Kamdar says.

          First, he hopes that his company will transform the life sciences industry, including things like much-anticipated CRISPR gene-editing therapies, cutting-edge CAR-T cancer treatments, and the emerging DNA/RNA vaccine space—made all the more urgent in light of the coronavirus pandemic and the efforts of Moderna and others to create the world’s first mRNA vaccines.

          But Kamdar has good reason to believe the impacts will go much, much farther. Take industrial sectors like chemicals and materials. A new McKinsey report suggests that as much as 60 percent of the physical inputs to the global economy could be produced biologically. Most anything made with petrochemistry—your carpets, cosmetics, and contact lenses, to name a few—could soon be made with biology. Not necessarily because it’s greener, but because you can engineer biology to make things more economically and more precisely.

          All the world’s data in a shoebox

          One of the more fascinating and less intuitive applications of DNA synthesis is data storage.

          DNA is the most compact and durable information storage molecule that exists in our world. Depending who you ask, you could store all the world’s information in a shoebox or a teaspoonful of DNA. In a beautiful demonstration of the feasibility of enzymatic synthesis, Molecular Assemblies announced in 2018 that it has successfully completed an end-to-end run to store and retrieve digital information in DNA using enzymatic DNA synthesis.

          “To our knowledge, we are the first industry group to store and retrieve digital information in DNA using enzymatic synthesis in a cost-effective, sustainable, and scalable way,” says Kamdar.

          There are good reasons to believe that the future will be written in DNA. The world is producing more digital information than can be efficiently stored. DNA represents an essentially limitless hard drive in nearly zero space. You could think of DNA data storage as your “golden backup.” It might take a day or two to retrieve a complete restore, but it will always and forever be a lossless, failsafe backup, capable of recording anything and everything you could ever want.

          And with enzymatic synthesis, that vision is a little closer to reality.

          The great synthesis race is on

          Kamdar, Efcavitch, and the rest of the Molecular Assemblies team have been working on enzymatic DNA synthesis as long as anyone, and they have a formidable patent war chest for their efforts. But they are by no means the only company that recognizes the potential of this technology. DNAScript, Evonetix, Nuclera, Ansa Biotechnologies, and Kern Systems are all working to make enzymatic synthesis a commercial success.

          “There will be more than one enzymatic synthesis company,” says Kamdar. If you look at the market for traditional chemical synthesis, he says, there are also many players, including Twist Bioscience, Agilent Technologies, Thermo Fisher, Danaher, IDT, Synbio-tech, and more. “We believe the same to be true for enzymatically derived DNA.”

          Perhaps more importantly, Kamdar says that Molecular Assemblies is going a different route with its platform-independent technology.

          “We don’t want to create a desktop device,” says Kamdar. “We want to be the ink in a lot of DNA printers.”

          He adds: “We anticipate being at a commercial level by next year.”

          While Kamdar is confident in Molecular Assemblies’ place in the future landscape, he says that the biggest new threat to the entire synthesis industry is COVID-19.

          “All of us have to maintain productivity to advance technology, generate partnerships, and raise capital,” he says, but doing so is difficult while adhering to government-mandated guidelines for social distancing, shifts in work practices, and so on, not to mention the uncertainty that coronavirus is creating in private and public capital markets. The kinds of problems the DNA business is best at solving—biological ones—can also create business problems of their own.

          The future of DNA is unimaginably cool

          I am a biotech-optimist, but even for me it’s difficult to fathom the ultimate impact that enzymatic DNA synthesis could have on the world.

          Take, for example, two very cool, far-out applications of DNA synthesis that I haven’t even mentioned. One is nanotechnology, the folding of DNA to create precise 2D & 3D shapes as useful nanoscale construction materials. The other is DNA electronics, the merging of microchip technology with genetic chemistry to create the next era in computer science. They sound like science fiction now, but let’s ask Kamdar about them in ten years.

          There is a bioindustrial revolution happening right now, one that stands to have a direct annual global impact of $2 trillion to $4 trillion in 2030-40. One of the driving forces of the new bioeconomy is cheap DNA sequencing (reading), which has been decreasing at a rate faster than Moore’s Law. Enzymatic synthesis could have the same kind of impact on DNA writing—with exponential effect on just about every industry you can imagine.

          Follow me on Twitter at @johncumbers and @synbiobeta. Subscribe to my weekly newsletters in synthetic biology. Thank you to Kevin Costa for additional research and reporting in this article. I’m the founder of SynBioBeta, and some of the companies that I write about—including Molecular Assemblies—are sponsors of the SynBioBeta conference y weekly digest. Here’s the full list of SynBioBeta sponsors. I am also an operating partner at DCVC, which has invested in Molecular Assemblies.


          67 DNA Structure and Sequencing

          Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

          • Describe the structure of DNA
          • Explain the Sanger method of DNA sequencing
          • Discuss the similarities and differences between eukaryotic and prokaryotic DNA

          The building blocks of DNA are nucleotides. The important components of the nucleotide are a nitrogenous (nitrogen-bearing) base, a 5-carbon sugar (pentose), and a phosphate group ((Figure)). The nucleotide is named depending on the nitrogenous base. The nitrogenous base can be a purine such as adenine (A) and guanine (G), or a pyrimidine such as cytosine (C) and thymine (T).


          The images above illustrate the five bases of DNA and RNA. Examine the images and explain why these are called “nitrogenous bases.” How are the purines different from the pyrimidines? How is one purine or pyrimidine different from another, e.g., adenine from guanine? How is a nucleoside different from a nucleotide?

          Las purinas tienen una estructura de doble anillo con un anillo de seis miembros fusionado a un anillo de cinco miembros. Pyrimidines are smaller in size they have a single six-membered ring structure.

          El azúcar es desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN. The carbon atoms of the five-carbon sugar are numbered 1′, 2′, 3′, 4′, and 5′ (1′ is read as “one prime”). The phosphate, which makes DNA and RNA acidic, is connected to the 5′ carbon of the sugar by the formation of an ester linkage between phosphoric acid and the 5′-OH group (an ester is an acid + an alcohol). In DNA nucleotides, the 3′ carbon of the sugar deoxyribose is attached to a hydroxyl (OH) group. In RNA nucleotides, the 2′ carbon of the sugar ribose also contains a hydroxyl group. The base is attached to the 1’carbon of the sugar.

          The nucleotides combine with each other to produce phosphodiester bonds. The phosphate residue attached to the 5′ carbon of the sugar of one nucleotide forms a second ester linkage with the hydroxyl group of the 3′ carbon of the sugar of the next nucleotide, thereby forming a 5′-3′ phosphodiester bond. In a polynucleotide, one end of the chain has a free 5′ phosphate, and the other end has a free 3′-OH. These are called the 5′ and 3′ ends of the chain.

          In the 1950s, Francis Crick and James Watson worked together to determine the structure of DNA at the University of Cambridge, England. Otros científicos como Linus Pauling y Maurice Wilkins también estaban explorando activamente este campo. Pauling previously had discovered the secondary structure of proteins using X-ray crystallography. In Wilkins’ lab, researcher Rosalind Franklin was using X-ray diffraction methods to understand the structure of DNA. Watson and Crick were able to piece together the puzzle of the DNA molecule on the basis of Franklin’s data because Crick had also studied X-ray diffraction ((Figure)). En 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina. Desafortunadamente, para entonces Franklin había muerto y los premios Nobel no se otorgan póstumamente.


          Watson and Crick proposed that DNA is made up of two strands that are twisted around each other to form a right-handed helix. Base pairing takes place between a purine and pyrimidine on opposite strands, so that A pairs with T, and G pairs with C (suggested by Chargaff’s Rules). Thus, adenine and thymine are complementary base pairs, and cytosine and guanine are also complementary base pairs. The base pairs are stabilized by hydrogen bonds: la adenina y la timina forman dos enlaces de hidrógeno y la citosina y la guanina forman tres enlaces de hidrógeno. The two strands are anti-parallel in nature that is, the 3′ end of one strand faces the 5′ end of the other strand. The sugar and phosphate of the nucleotides form the backbone of the structure, whereas the nitrogenous bases are stacked inside, like the rungs of a ladder. Each base pair is separated from the next base pair by a distance of 0.34 nm, and each turn of the helix measures 3.4 nm. Therefore, 10 base pairs are present per turn of the helix. The diameter of the DNA double-helix is 2 nm, and it is uniform throughout. Only the pairing between a purine and pyrimidine and the antiparallel orientation of the two DNA strands can explain the uniform diameter. The twisting of the two strands around each other results in the formation of uniformly spaced major and minor grooves ((Figure)).


          DNA Sequencing Techniques

          Until the 1990s, the sequencing of DNA (reading the sequence of DNA) was a relatively expensive and long process. Using radiolabeled nucleotides also compounded the problem through safety concerns. With currently available technology and automated machines, the process is cheaper, safer, and can be completed in a matter of hours. Fred Sanger developed the sequencing method used for the human genome sequencing project, which is widely used today ((Figure)).

          Visit this site to watch a video explaining the DNA sequence-reading technique that resulted from Sanger’s work.

          The sequencing
          method is known as the dideoxy chain termination method. The method is based on the use of chain terminators, the dideoxynucleotides (ddNTPs). The ddNTPSs differ from the deoxynucleotides by the lack of a free 3′ OH group on the five-carbon sugar. If a ddNTP is added to a growing DNA strand, the chain cannot be extended any further because the free 3′ OH group needed to add another nucleotide is not available. By using a predetermined ratio of deoxyribonucleotides to dideoxynucleotides, it is possible to generate DNA fragments of different sizes.


          The DNA sample to be sequenced is denatured (separated into two strands by heating it to high temperatures). The DNA is divided into four tubes in which a primer, DNA polymerase, and all four nucleoside triphosphates (A, T, G, and C) are added. In addition, limited quantities of one of the four dideoxynucleoside triphosphates (ddCTP, ddATP, ddGTP, and ddTTP) are added to each tube respectively. The tubes are labeled as A, T, G, and C according to the ddNTP added. For detection purposes, each of the four dideoxynucleotides carries a different fluorescent label. Chain elongation continues until a fluorescent dideoxy nucleotide is incorporated, after which no further elongation takes place. After the reaction is over, electrophoresis is performed. Even a difference in length of a single base can be detected. The sequence is read from a laser scanner that detects the fluorescent marker of each fragment. For his work on DNA sequencing, Sanger received a Nobel Prize in Chemistry in 1980.

          Sanger’s genome sequencing has led to a race to sequence human genomes at rapid speed and low cost, often referred to as the $1000-in-one-day sequence. Learn more by selecting the Sequencing at Speed animation aquí.

          Gel electrophoresis is a technique used to separate DNA fragments of different sizes. Usually the gel is made of a chemical called agarose (a polysaccharide polymer extracted from seaweed that is high in galactose residues). Agarose powder is added to a buffer and heated. After cooling, the gel solution is poured into a casting tray. Once the gel has solidified, the DNA is loaded on the gel and electric current is applied. The DNA has a net negative charge and moves from the negative electrode toward the positive electrode. The electric current is applied for sufficient time to let the DNA separate according to size the smallest fragments will be farthest from the well (where the DNA was loaded), and the heavier molecular weight fragments will be closest to the well. Once the DNA is separated, the gel is stained with a DNA-specific dye for viewing it ((Figure)).


          The first draft sequence of the Neanderthal genome was recently published by Richard E. Green et al. in 2010. 1 Neanderthals are the closest ancestors of present-day humans. They were known to have lived in Europe and Western Asia (and now, perhaps, in Northern Africa) before they disappeared from fossil records approximately 30,000 years ago. Green’s team studied almost 40,000-year-old fossil remains that were selected from sites across the world. Extremely sophisticated means of sample preparation and DNA sequencing were employed because of the fragile nature of the bones and heavy microbial contamination. In their study, the scientists were able to sequence some four billion base pairs. The Neanderthal sequence was compared with that of present-day humans from across the world. After comparing the sequences, the researchers found that the Neanderthal genome had 2 to 3 percent greater similarity to people living outside Africa than to people in Africa. While current theories have suggested that all present-day humans can be traced to a small ancestral population in Africa, the data from the Neanderthal genome suggest some interbreeding between Neanderthals and early modern humans.

          Green and his colleagues also discovered DNA segments among people in Europe and Asia that are more similar to Neanderthal sequences than to other contemporary human sequences. Another interesting observation was that Neanderthals are as closely related to people from Papua New Guinea as to those from China or France. This is surprising because Neanderthal fossil remains have been located only in Europe and West Asia. Most likely, genetic exchange took place between Neanderthals and modern humans as modern humans emerged out of Africa, before the divergence of Europeans, East Asians, and Papua New Guineans.

          Several genes seem to have undergone changes from Neanderthals during the evolution of present-day humans. These genes are involved in cranial structure, metabolism, skin morphology, and cognitive development. One of the genes that is of particular interest is RUNX2, which is different in modern day humans and Neanderthals. This gene is responsible for the prominent frontal bone, bell-shaped rib cage, and dental differences seen in Neanderthals. It is speculated that an evolutionary change in RUNX2 was important in the origin of modern-day humans, and this affected the cranium and the upper body.

          Watch Svante Pääbo’s talk explaining the Neanderthal genome research at the 2011 annual TED (Technology, Entertainment, Design) conference.

          DNA Packaging in Cells

          Prokaryotes are much simpler than eukaryotes in many of their features ((Figure)). Most prokaryotes contain a single, circular chromosome that is found in an area of the cytoplasm called the región nucleoide.


          In eukaryotic cells, DNA and RNA synthesis occur in a separate compartment from protein synthesis. In prokaryotic cells, both processes occur together. What advantages might there be to separating the processes? What advantages might there be to having them occur together?

          The size of the genome in one of the most well-studied prokaryotes, E.coli, is 4.6 million base pairs (approximately 1.1 mm, if cut and stretched out). So how does this fit inside a small bacterial cell? The DNA is twisted by what is known as supercoiling. Supercoiling suggests that DNA is either “under-wound” (less than one turn of the helix per 10 base pairs) or “over-wound” (more than 1 turn per 10 base pairs) from its normal relaxed state. Some proteins are known to be involved in the supercoiling other proteins and enzymes such as DNA gyrase help in maintaining the supercoiled structure.

          Eukaryotes, whose chromosomes each consist of a linear DNA molecule, employ a different type of packing strategy to fit their DNA inside the nucleus ((Figure)). At the most basic level, DNA is wrapped around proteins known as histonas to form structures called nucleosomes. The histones are evolutionarily conserved proteins that are rich in basic amino acids and form an octamer composed of two molecules of each of four different histones. The DNA (remember, it is negatively charged because of the phosphate groups) is wrapped tightly around the histone core. This nucleosome is linked to the next one with the help of a linker DNA. This is also known as the “beads on a string” structure. With the help of a fifth histone, a string of nucleosomes is further compacted into a 30-nm fiber, which is the diameter of the structure. Metaphase chromosomes are even further condensed by association with scaffolding proteins. At the metaphase stage, the chromosomes are at their most compact, approximately 700 nm in width.

          In interphase, eukaryotic chromosomes have two distinct regions that can be distinguished by staining. The tightly packaged region is known as heterochromatin, and the less dense region is known as euchromatin. Heterochromatin usually contains genes that are not expressed, and is found in the regions of the centromere and telomeres. The euchromatin usually contains genes that are transcribed, with DNA packaged around nucleosomes but not further compacted.


          Resumen de la sección

          The currently accepted model of the double-helix structure of DNA was proposed by Watson and Crick. Some of the salient features are that the two strands that make up the double helix have complementary base sequences and anti-parallel orientations. Alternating deoxyribose sugars and phosphates form the backbone of the structure, and the nitrogenous bases are stacked like rungs inside. The diameter of the double helix, 2 nm, is uniform throughout. A purine always pairs with a pyrimidine A pairs with T, and G pairs with C. One turn of the helix has 10 base pairs. Prokaryotes are much simpler than eukaryotes in many of their features. Most prokaryotes contain a single, circular chromosome. In general, eukaryotic chromosomes contain a linear DNA molecule packaged into nucleosomes, and have two distinct regions that can be distinguished by staining, reflecting different states of packaging and compaction.

          Preguntas de conexión visual

          (Figure) In eukaryotic cells, DNA and RNA synthesis occur in a separate compartment from protein synthesis. In prokaryotic cells, both processes occur together. What advantages might there be to separating the processes? What advantages might there be to having them occur together?

          (Figure) Compartmentalization enables a eukaryotic cell to divide processes into discrete steps so it can build more complex protein and RNA products. But there is an advantage to having a single compartment as well: RNA and protein synthesis occurs much more quickly in a prokaryotic cell.

          Preguntas de revisión

          DNA double helix does not have which of the following?

          1. antiparallel configuration
          2. complementary base pairing
          3. major and minor grooves
          4. uracilo

          In eukaryotes, what is the DNA wrapped around?

          Preguntas de pensamiento crítico

          Provide a brief summary of the Sanger sequencing method.

          The template DNA strand is mixed with a DNA polymerase, a primer, the 4 deoxynucleotides, and a limiting concentration of 4 dideoxynucleotides. DNA polymerase synthesizes a strand complementary to the template. Incorporation of ddNTPs at different locations results in DNA fragments that have terminated at every possible base in the template. These fragments are separated by gel electrophoresis and visualized by a laser detector to determine the sequence of bases.

          Describe the structure and complementary base pairing of DNA.

          DNA has two strands in anti-parallel orientation. The sugar-phosphate linkages form a backbone on the outside, and the bases are paired on the inside: A with T, and G with C, like rungs on a spiral ladder.

          Prokaryotes have a single circular chromosome while eukaryotes have linear chromosomes. Describe one advantage and one disadvantage to the eukaryotic genome packaging compared to the prokaryotes.

          Advantage: The linear arrangement of the eukaryotic chromosome allows more DNA to be packed by tightly winding it around histones. More genetic material means that the organism can encode more information into a single cell. This eventually allowed some eukaryotes to develop into multicellular organisms with cell specialization.
          Disadvantage: Maintaining more genetic material requires more energy, and introduces the possibility for more errors (more complexity).


          The Dangers of DNA Testing

          In a new study, 74 out of 108 crime laboratories implicated an innocent person in a hypothetical bank robbery.

          Dr. Hampikian is a professor of biology at Boise State University.

          Researchers from the National Institute of Standards and Technology gave the same DNA mixture to about 105 American crime laboratories and three Canadian labs and asked them to compare it with DNA from three suspects from a mock bank robbery.

          The first two suspects’ DNA was part of the mixture, and most labs correctly matched their DNA to the evidence. However, 74 labs wrongly said the sample included DNA evidence from the third suspect, an “innocent person” who should have been cleared of the hypothetical felony.

          The test results are troubling, especially since errors also occur in actual casework. Just ask Dwayne Jackson of Las Vegas.

          When he was 18, he was told that his DNA matched DNA from a home invasion and kidnapping of a woman and her two daughters. He was advised that a jury would most likely believe the DNA, not him. Facing a life sentence at trial, he pleaded guilty to reduced charges in 2003.

          Mr. Jackson spent nearly four years in a Nevada prison, until the crime lab realized it had accidentally switched his sample with another suspect’s tube. The lab apologized, and he was released from prison.

          Image

          Tube swaps are easy to understand. But some laboratory errors are far more difficult to detect. For example, it’s hard to interpret DNA mixtures from three or more people. As DNA testing has become more sensitive, most laboratories are now able to produce profiles from anyone who may have lightly touched an object. The result is that DNA mixtures have become more common, making up about 15 percent of all evidence samples.

          To assess how labs are doing with these mixtures, the institute’s researchers have conducted several national studies over the past two decades. Basically, they gave crime labs DNA from several people, as well as DNA from fake crime scenes. They asked the labs if any suspects matched the evidence. If the labs found a match, they were required to report a match statistic. This statistic indicates the odds that the match is a coincidental or innocent match.

          One shocking result from the new N.I.S.T. study is that labs analyzing the same evidence calculated vastly different statistics. Among the 108 crime labs in the study, the match statistics varied over 100 trillion-fold. That’s like the difference between soda change and the United States’ gross domestic product. These statistics are important because they are used by juries to consider whether a DNA match is just coincidence.

          I first learned about the results of this study in 2014, at a talk by one of its authors. It was clear that crime labs were making mistakes, and I expected the results to be published quickly. Peer-reviewed publication is important, because most judges won’t let you cite someone’s PowerPoint slide in your testimony.

          But years went by before the study was published, preventing lawyers from using the findings in court, and academics from citing the results in journal articles. If some of us had not complained publicly, it may not ever have been published.

          While this lapse in publication is troubling, more disturbing is that the authors try to mute the impact of their own excellent work. Neither the paper’s title nor the abstract mention the shocking findings. And the paper contains an amazing number of disclaimers.

          In fact, the conclusion begins with a stark disclaimer apparently intended to block courtroom use:

          The results described in this article provide only a brief snapshot of DNA mixture interpretation as practiced by participating laboratories in 2005 and 2013. Any overall performance assessment is limited to participating laboratories addressing specific questions with provided data based on their knowledge at the time. Given the adversarial nature of the legal system, and the possibility that some might attempt to misuse this article in legal arguments, we wish to emphasize that variation observed in DNA mixture interpretation cannot support any broad claims about “poor performance” across all laboratories involving all DNA mixtures examined in the past.

          People serving time behind bars based on shoddy DNA methods may disagree. It is uncomfortable to read the study’s authors praising labs for their careful work when they get things right, but offering sophomoric excuses for them when they get things wrong. Scientists in crime labs need clear feedback to change entrenched, error-prone methods, and they should be strongly encouraged to re-examine old cases where such methods were used.

          The good news is that there are methods to reanalyze old DNA mixture data using computer programs that can help analysts correct errors, without any new lab testing. In fact, one lesson from the study is that while only seven of the 108 labs in the study properly excluded the innocent profile, one of them used such a program (TrueAllele by Cybergenetics). Many crime labs now have access to these programs and use them on current cases. But they could and should easily go back and re-examine old DNA mixtures to correct tragic mistakes.

          In fact, we have shown that this is possible. Working with Cybergenetics analysts and Innocence Network organizations in four states, our Boise State University laboratory has re-examined a few select cases and already persuaded courts to overturn a conviction in New Mexico, two in Indiana and two in Montana. We have also helped identify a new suspect in a 23-year-old murder.

          While we have to go to court to get access to case data (a very time-consuming process), the crime labs don’t. They could easily review their own cases. With tens of thousands of DNA mixtures analyzed each year, there are many innocent people who hope the crime labs and courts take the national institute’s study seriously, and act quickly.

          Greg Hampikian is a professor of biology at Boise State University and a co-author of “Exit to Freedom.”