211service.com
Szybkie czytanie DNA o cale bliżej
Aby sekwencjonowanie DNA stało się rutynową częścią opieki nad pacjentem, musi stać się tańsze i szybsze. Firma o nazwie Oksford Nanopore ma nadzieję obniżyć zarówno koszty, jak i czas potrzebny na sekwencjonowanie przy użyciu techniki zwanej sekwencjonowaniem nanoporowym. Firma dokonała teraz ważnej demonstracji swojej technologii: po raz pierwszy naukowcom udało się zidentyfikować bazy DNA z niemal całkowitą dokładnością. Oprócz identyfikacji czterech zasad DNA technika ta może również wykryć zmodyfikowaną wersję jednej z zasad, która może być odpowiedzialna za wywoływanie raka i innych chorób.
Szybki czytnik : Baza DNA (czerwona) przechodzi przez tunel białkowy wyłożony cukrem (niebieskie i zielone bąbelki). Cukier spowalnia DNA, gdy przechodzi przez pory, dając czas na zidentyfikowanie zasady.
Nowa technika pozwala na bezpośrednią identyfikację zasad bez etykiet fluorescencyjnych i sprzętu do obrazowania używanego w konwencjonalnym szybkim sekwencjonowaniu. Bezpośredni odczyt DNA powinien być nie tylko szybszy i tańszy, ale także umożliwiać przeprowadzanie bardziej złożonych analiz – mówi Jeffrey Schloss, dyrektor programowy ds. rozwoju technologii w USA. Narodowy Instytut Badań nad Genomem Człowieka . Schloss mówi, że zdolność systemu Oxford Nanopore do wykrywania modyfikacji DNA skatalogowanych przez rozwijającą się dziedzinę zwaną epigenetyką jest szczególnie ekscytująca. Na przykład wykazano, że dodanie cząsteczek organicznych zwanych grupami metylowymi do jednej z zasad odgrywa rolę w rozwoju chorób, takich jak rak. Jednak wykrycie tych modyfikacji za pomocą konwencjonalnych metod sekwencjonowania jest trudne, więc pełne skutki i przyczyny ich występowania wciąż nie są dobrze poznane.
Naukowcy z Oxford Nanopore nie wykazali jeszcze, że mogą przetwarzać kompletne sekwencje DNA przy użyciu swojego systemu. Jednak nowe wyniki, opublikowane w tym tygodniu w Natura Nanotechnologia , są ważnym potwierdzeniem koncepcji sekwencjonowania nanoporów. Pokazali wykonalność wszystkich kroków, mówi Schloss.
System, który firma wykorzystała do identyfikacji zasad DNA, to białko podobne do tunelu osadzone w błonie bardzo podobnej do tej, która otacza komórki biologiczne. Przepływ jonów przez błonę i pory wytwarza prąd, który można zmierzyć za pomocą elektrody podobnej do elektrody używanej do badania neuronów w laboratorium. Stosując silny potencjał elektryczny w poprzek błony, naukowcy wprowadzają zasady DNA przez pory. Przechodząc przez każdą bazę, modyfikuje ona prąd płynący przez por w charakterystyczny sposób.
Kluczem do działania tej metody jest kontrolowanie przepływu zasad przez pory białka. Jak mówi James Clarke, naukowiec z Oxford Nanopore, bazy DNA są zbyt małe, aby można je było zidentyfikować samodzielnie: przeleciałyby przez nie. Tak więc cząsteczka cukru wyściełająca otwór powiększa go tak, że DNA nie przedostaje się zbyt szybko. W poprzednich wersjach systemu nanoporów ta cząsteczka cukru była dość luźno powiązana z porami, poruszając się do wewnątrz i na zewnątrz. Badacze firmy kierowani przez założyciela Hagan Bayley , który jest również profesorem chemii na Uniwersytecie Oksfordzkim, umożliwił odczytywanie zasad DNA jedna po drugiej poprzez chemiczne wiązanie cukru do wnętrza nanoporów.
Oxford Nanopore może identyfikować zasady, ale jeszcze nie w kolejności. System, który zademonstrował, polega na przepuszczaniu przez nanopor pociętego DNA, a nie całych nici. Firma pracuje obecnie nad konfiguracją do podawania długich nici DNA przez pory, jedna podstawa na raz. Aby to zrobić, naukowcy muszą dołączyć do nanoporów enzym zwany egzonukleazą. Mają nadzieję, że enzym odcina zasady pojedynczo i przejdą przez pory na drugą stronę.
Pojawia się pytanie, co się stanie, gdy umieścisz długie nici DNA przed nanoporem, mówi Schloss. Czy utworzy beznadziejny węzeł?
To tylko jedna z kilku niewiadomych, przed którymi stoją badacze. Aby technologia była naprawdę skalowalna i opłacalna komercyjnie, pory będą musiały być pogrupowane w duże szyki, a firma będzie musiała opracować mniej skomplikowany sposób odczytywania sygnałów elektrycznych z porów. Oxford Nanopore mówi, że obecnie pracuje nad obydwoma tymi problemami.
Potencjalną pułapką podejścia Oxford'a do nanoporów-egzonukleazy, mówi Schloss, jest to, że DNA zostanie zniszczone podczas czytania, co uniemożliwi ponowne sekwencjonowanie nici w celu sprawdzenia błędów.
Istnieją jednak inne podejścia do sekwencjonowania nanoporów, które są mniej destrukcyjne. David Deamer , emerytowany profesor chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, który jako pierwszy przedstawił koncepcję sekwencjonowania nanoporów w latach 90. i jest doradcą naukowym Oxford Nanopore, wskazuje, że nie jest to pierwsza demonstracja systemu nanoporowego, który potrafi zidentyfikować wszystkie zasady DNA. W zeszłym roku naukowcy pod kierunkiem Reza Ghadiri w Scripps Institute w La Jolla w Kalifornii zsekwencjonowano 10-zasadową nić DNA przy użyciu innej techniki nanoporowej. Przepływ DNA przez system Scripps, oparty na oryginalnej koncepcji Deamera, jest kontrolowany przez enzym, który działa jak mechanizm zapadkowy, przesuwając cząsteczkę do przodu o jedną zasadę na raz. Ale ten system jest o wiele za wolny, rozwija się w tempie jednej podstawy na 10 minut, a naukowcy Scripps pracują nad jego przyspieszeniem.
Oxford Nanopore nie włożył wszystkich jajek do jednego koszyka. Posiada licencjonowaną technologię dla kilku metod sekwencjonowania nanoporów, w tym metody Deamera i innej, która wykorzystuje sztuczny nanopor: wafel krzemowy z dziurkami w nanoskali i wyłożony nanorurkami węglowymi, których przewodnictwo zmienia się w miarę przechodzenia DNA.
Jedno z tych podejść będzie miało przełom i będzie w stanie sekwencjonować szybciej i taniej niż to, co robimy teraz, przewiduje Deamer. Ani naukowcy z Oxford Nanopore, ani ci z konkurencyjnych laboratoriów nie chcą spekulować, kiedy to się stanie, ani ile taki system będzie kosztował w przeliczeniu na genom. Ale Schloss mówi, że możliwe jest, że jedna z grup osiągnie pierwotny rok docelowy 2014 dla udanego sekwencjonowania nanoporów Narodowego Instytutu Badań Genomu Człowieka.