RNA na chipie

Odkąd w 1996 roku pojawiły się na scenie biochipy, takie jak mikromacierze DNA, naukowcy ścigali się, aby zwiększyć swoje możliwości diagnostyczne. Teraz zespół badawczy z Uniwersytetu Yale, kierowany przez profesora biologii Ronalda Breakera, stworzył prototyp mikromacierzy opartej na RNA, który obiecuje stworzyć potężne laboratorium diagnostyczne na chipie wielkości dziesięciocentówki.

Breaker od lat majstruje przy teorii, że RNA, a nie DNA, było podstawowym składnikiem życia 3,5 miliarda lat temu. W przeciwieństwie do DNA — biblioteka zawierająca nasz kod genetyczny — RNA jest dynamiczna, wykonuje instrukcje w magazynie DNA i organizuje syntezę białek.

W 1995 r. Breaker i jego zespół zaczęli wskrzeszać ten wymarły świat RNA w probówce i z powodzeniem zaprojektowali przełączniki molekularne oparte na RNA. (Przełącznik molekularny to cząsteczka, która jest włączana lub wyłączana przez inną cząsteczkę lub związek).

Tablica dla RNA

Mając pod ręką dziesiątki takich przełączników, pomyślał Breaker, dlaczego nie rozmieścić ich na powierzchni i stworzyć szeregu bioczujników, które wykorzystują RNA do pomiaru lub wykrywania związków? Dzięki inżynierii przełączników RNA w celu wykrywania wielu różnych rodzajów związków, Breaker wiedział, że potencjał jego macierzy może przewyższyć potencjał chipa DNA, który identyfikuje określone sekwencje DNA lub RNA i nic więcej.

Aby stworzyć prototyp, Breaker umieścił przełączniki RNA na pokrytej złotem krzemowej powierzchni i ułożył je w klastry. Każdy przełącznik został zaprojektowany tak, aby wiązać się tylko z konkretną cząsteczką — jej celem — a następnie wyzwalać sygnał identyfikujący cząsteczkę docelową. (W prototypie przełączniki emitowały sygnał radioaktywny.)

Jak informowaliśmy w kwietniu Biotechnologia Przyrody , Breaker i jego zespół przetestowali szereg przełączników RNA na różnych złożonych mieszaninach. W jednym eksperymencie z powodzeniem zidentyfikowali różne szczepy E coli znalezione w kulturach bakteryjnych.

Konsekwencje są kuszące. Zdolność macierzy do jednoczesnej identyfikacji potencjalnie dużej liczby związków, w połączeniu z precyzyjną wyłącznością każdego przełącznika, składa się na przepis na potężne i szeroko zakrojone laboratorium na plasterku krzemu wielkości dziesięciocentówki.

Superchip RNA

Wynalazek Breakera otwiera drogę dla przyszłych chipów RNA zdolnych do ujawniania składu molekularnego złożonych mieszanin, takich jak surowica krwi i odpady przemysłowe, znacznie bardziej kompleksowo niż obecne biochipy.

Zaawansowane wersje naszego biochipu RNA mogą być wykorzystywane do wielu różnych celów, takich jak leki, toksyny i metabolity, a także białka i kwasy nukleinowe, mówi Breaker. Powinny być w stanie wykryć prawie wszystko, z czym można związać RNA.

Co więcej, wstępny sukces prac Breakera zapoczątkowuje nową erę tego, co można nazwać „macierzami aktywnymi”, deklaruje Gerald Joyce, biolog molekularny z Scripps Research Institute w La Jolla w Kalifornii. Rzeczywiście, powinno być możliwe zaprojektowanie przełączników RNA do robienia znacznie bardziej niezwykłych rzeczy niż identyfikacja celu, mówi Breaker. Jednym z przykładów jest regulacja ekspresji genów.

Kolejną zaletą przełączników RNA jest ich zdolność do wytrzymywania czasami nieprzewidywalnych i trudnych warunków poza laboratorium. Breaker porównuje je z biochipem białkowym i mówi, że ten ostatni, jeśli zostanie przypadkowo podgrzany, smaży się jak jajko. Białka rozwijają się i nigdy nie można ponownie złożyć złożonych struktur, mówi.

Przełączniki RNA Breakera zostały zaprojektowane tak, aby po podgrzaniu powróciły do ​​swojej pierwotnej postaci. Ta cecha typu snap-back zapewni biochipom RNA znaczną przewagę do wykorzystania w bardziej egzotycznych środowiskach testowych, twierdzi Breaker.

Jak się tam dostać?

Następny krok dla przełączników RNA jest całkiem jasny, mówi Joyce. Muszą być tak zaprojektowane, aby emitowały sygnał fluorescencyjny, a nie radioaktywny. To ulepszenie umożliwiłoby laboratoriom wykorzystanie już istniejącego sprzętu i ominięcie regulacyjnej biurokracji, umożliwiając szybkie opracowanie chipa RNA zawierającego do 1000 przełączników. I to jest celem macierzy biosensorowych – masowej analizy równoległej na najmniejszej możliwej powierzchni.

Breaker mówi, że jego celem jest umieszczenie możliwości tysiąca naukowców w chipie wielkości dziesięciocentówki, jednocześnie generując odpowiedzi, których oczekujesz tysiąc razy szybciej. Oprócz badań biomedycznych widzi on wiele zastosowań chipu RNA w różnych dziedzinach, takich jak inżynieria chemiczna, nauki o środowisku, a nawet biologiczna i chemiczna obrona przed wojną.

Jednak nadal istnieją pewne przeszkody, w szczególności związane z kosztami produkcji, stabilnością chemiczną przełączników i niektórymi drobniejszymi punktami rozpoznawania molekularnego.

Ta technologia jest tak nowa, że ​​nie jest jasne, ile różnych związków będzie można rozpoznać, mówi Andrew Ellington, biochemik z University of Texas. Na przykład nie ma opublikowanych przykładów rozpoznawania białek. Ponadto RNA jest podatne na działanie niektórych substancji chemicznych, często występujących w sytuacjach testowych, które mogą spowodować dezintegrację przełącznika.

Zespół Breakera pracuje nad rozwiązaniami niektórych z tych problemów, takimi jak usuwanie wszelkich związków niszczących RNA z próbek testowych. Pracują również nad inżynierią DNA, aby mogło pełnić pewne funkcje podobne do RNA.

To może sprawić, że te tysiące naukowców na chipie będą jeszcze mądrzejsze.

ukryć