Źródło enzymów restrykcyjnych

Od czasu odkrycia enzymów restrykcyjnych dziedzina biologii molekularnej szybko się rozwinęła ze względu na wyjątkową zdolność tych białek do cięcia DNA w specyficzny sposób. Te proste enzymy wywarły ogromny wpływ na badania naukowe na całym świecie; co dziwne, za ten naukowy dar zawdzięczamy bakterie.

Enzymy restrykcyjne, zwane również endonukleazami restrykcyjnymi, wiążą się z DNA i rozszczepiają podwójną nić, tworząc mniejsze fragmenty DNA. Istnieją trzy rodzaje enzymów restrykcyjnych; Enzymy restrykcyjne typu I rozpoznają sekwencję DNA i odcinają nić losowo w odległości ponad tysiąca par zasad od miejsca. Enzymy restrykcyjne typu II, najbardziej przydatne w laboratoriach biologii molekularnej, rozpoznają i przecinają nić DNA w przewidywalny sposób przy określonej sekwencji, która zwykle ma długość mniejszą niż dziesięć par zasad. Enzymy restrykcyjne typu III są podobne do typu I, ale odcinają one DNA około trzydziestu par zasad z sekwencji rozpoznawanej.

Gatunki bakteryjne są głównym źródłem komercyjnych enzymów restrykcyjnych. Enzymy te służą do obrony komórek bakteryjnych przed inwazją obcego DNA, takiego jak sekwencje kwasu nukleinowego używane przez wirusy do replikacji wewnątrz komórki gospodarza. Zasadniczo enzym posieka DNA na znacznie mniejsze kawałki, które stanowią niewielkie zagrożenie dla komórki. Enzymy są nazwane od gatunku i szczepu bakterii, które je wytwarzają. Na przykład pierwszy enzym restrykcyjny wyekstrahowany ze szczepu RY13 Escherichia coli nazywa się EcoRI, a piąty enzym wyekstrahowany z tego samego gatunku nazywa się EcoRV.

Stosowanie enzymów restrykcyjnych typu II jest niemal powszechne w laboratoriach na całym świecie. Cząsteczki DNA są niezwykle długie i trudne do prawidłowego zarządzania, zwłaszcza jeśli badacza interesuje tylko jeden lub dwa geny. Enzymy restrykcyjne pozwalają naukowcom na niezawodne cięcie DNA na znacznie mniejsze porcje. Ta zdolność do manipulowania DNA umożliwiła postęp w mapowaniu restrykcyjnym i klonowaniu molekularnym.

W warunkach laboratoryjnych wiedza o tym, gdzie znajdują się określone miejsca restrykcyjne na nici DNA, jest niezwykle pomocna i wygodna. Jeśli sekwencja DNA jest znana, mapowanie restrykcyjne można wykonać za pomocą komputera, który może szybko mapować wszystkie możliwe sekwencje rozpoznawane przez enzymy restrykcyjne. Jeśli sekwencja DNA nie jest znana, badacz nadal może stworzyć ogólną mapę, używając różnych enzymów samodzielnie i w połączeniu z innymi enzymami, aby rozszczepić cząsteczkę. Korzystając z rozumowania dedukcyjnego, można utworzyć ogólną mapę ograniczeń. Posiadanie dostępnej mapy restrykcyjnej ma kluczowe znaczenie podczas klonowania genów.

Klonowanie molekularne to technika laboratoryjna, w której gen jest wycinany z docelowej cząsteczki DNA, zwykle wyekstrahowanej z organizmu, za pomocą enzymów restrykcyjnych. Następnie gen jest wstawiany do cząsteczki zwanej wektorem, która zwykle składa się z małych kawałków okrągłe DNA zwane plazmidami, które zostały zmodyfikowane tak, aby zawierały kilka docelowych enzymów restrykcyjnych sekwencje. Wektor jest rozszczepiany przez enzymy restrykcyjne, a następnie gen jest wstawiany do kolistego DNA. Enzym zwany ligazą DNA może następnie zreformować krąg tak, aby zawierał docelowy gen. Gdy gen zostanie „sklonowany” w taki sposób, wektor można wprowadzić do komórki bakteryjnej, aby gen mógł produkować białko.