211service.com
Rychločtení DNA o centimetry blíž
Aby se sekvenování DNA stalo rutinní součástí péče o pacienty, musí být levnější a rychlejší. Zavolala společnost Oxford Nanopore doufá, že sníží jak náklady, tak čas potřebný pro sekvenování pomocí techniky zvané nanopórové sekvenování. Společnost nyní provedla důležitou demonstraci své technologie: výzkumníci byli poprvé schopni identifikovat báze DNA s téměř úplnou přesností. Kromě identifikace čtyř bází DNA dokáže tato technika detekovat také upravenou verzi jedné ze bází, která může být zodpovědná za vznik rakoviny a dalších onemocnění.
Rychlá čtečka : DNA báze (červená) prochází proteinovým tunelem vystlaným cukrem (modré a zelené bublinky). Cukr zpomaluje DNA, když se pohybuje póry, což poskytuje čas na identifikaci báze.
Nová technika umožňuje přímou identifikaci bází bez fluorescenčních značek a zobrazovacího zařízení používaného pro konvenční vysokorychlostní sekvenování. Přímé čtení DNA by mělo být nejen rychlejší a levnější, ale mělo by také umožnit provádět složitější analýzy, říká Jeffrey Schloss, programový ředitel pro vývoj technologií v U.S. Národní ústav pro výzkum lidského genomu . Schopnost systému Oxford Nanopore detekovat modifikace DNA katalogizované nově vznikajícím oborem zvaným epigenetika je obzvláště vzrušující, říká Schloss. Ukázalo se například, že přidání organických molekul zvaných methylové skupiny k jedné ze zásad hraje roli při vzniku onemocnění, jako je rakovina. Je však obtížné detekovat tyto modifikace pomocí konvenčních sekvenačních metod, takže plné účinky a proč k nim dochází stále nejsou dobře pochopeny.
Výzkumníci z Oxford Nanopore zatím neprokázali, že by pomocí svého systému dokázali zpracovat kompletní sekvence DNA. Nicméně nové výsledky zveřejněné tento týden v Příroda Nanotechnologie , jsou důležitým důkazem konceptu pro sekvenování nanopórů. Ukázali proveditelnost všech kroků, říká Schloss.
Systém, který společnost použila k identifikaci bází DNA, je protein podobný tunelu zapuštěný do membrány velmi podobné té, která obklopuje biologické buňky. Tok iontů přes membránu a skrz póry vytváří proud, který lze měřit pomocí elektrody podobné těm, které se používají ke studiu neuronů v laboratoři. Aplikací silného elektrického potenciálu přes membránu vědci pohánějí báze DNA skrz póry. Když každá báze prochází skrz, modifikuje proud tekoucí přes pór charakteristickým způsobem.
Klíčem k tomu, aby metoda fungovala, je kontrola toku bází skrz proteinové póry. Základny DNA jsou příliš malé na to, aby byly identifikovány samy o sobě: proletěly by, říká James Clarke, vědec z Oxford Nanopore. Takže molekula cukru, která lemuje otvor, jej zvětší, takže DNA nepronikne příliš rychle. V předchozích verzích nanopórového systému byla tato molekula cukru spíše volně spojena s pórem a pohybovala se dovnitř a ven. Výzkumní pracovníci společnosti v čele se zakladatelem Hagan Bayley , který je také profesorem chemie na Oxfordské univerzitě, umožnil číst DNA báze jednu po druhé chemickou vazbou cukru na vnitřek nanopóru.
Oxford Nanopore dokáže identifikovat báze, ale ještě ne v sekvenci. Systém, který prokázala, zahrnuje průchod nasekané DNA, nikoli celých vláken, skrz nanopór. Společnost nyní pracuje na nastavení pro přivádění dlouhých řetězců DNA přes póry jednu bázi po druhé. K tomu musí vědci připojit k nanopóru enzym zvaný exonukleáza. Doufají, že báze bude jeden po druhém odsekávána enzymem a projde póry na druhou stranu.
Existuje určitá otázka, co se stane, když před nanopór umístíte dlouhé řetězce DNA, říká Schloss. Utvoří beznadějný uzel?
To je jen jedna z několika neznámých, kterým výzkumníci čelí. Aby byla technologie skutečně škálovatelná a komerčně životaschopná, bude nutné póry seskupit do velkých polí a společnost bude muset vyvinout méně komplikovaný způsob čtení elektrických signálů z pórů. Oxford Nanopore říká, že v současné době pracuje na obou těchto problémech.
Potenciálním úskalím Oxfordského přístupu nanopore-exonukleázy, říká Schloss, je to, že DNA bude zničena, jakmile byla přečtena, takže nebude možné znovu sekvenovat řetězec pro kontrolu chyb.
Existují však i jiné přístupy k sekvenování nanopórů, které jsou méně destruktivní. David Deamer , emeritní profesor chemie na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz, který poprvé přišel s konceptem sekvenování nanopórů v 90. letech minulého století a je vědeckým poradcem společnosti Oxford Nanopore, poukazuje na to, že nejde o první ukázku systému nanoporů, který dokáže identifikovat všechny báze DNA. Loni vědci pod vedením Reza Ghadiri ve Scripps Institute, v La Jolla, CA, sekvenovali 10-bázový dlouhý řetězec DNA pomocí jiné nanopórové techniky. Tok DNA systémem Scripps, který je založen na původním konceptu Deamer, je řízen enzymem, který funguje jako rohatka a posouvá molekulu dopředu o jednu bázi po druhé. Ale tento systém je příliš pomalý, postupuje rychlostí jedné základny každých 10 minut a výzkumníci Scripps pracují na jeho urychlení.
Oxford Nanopore nevložil všechna svá vejce do jednoho košíku. Má licencovanou technologii pro několik metod sekvenování nanopórů, včetně Deamer's a další, která používá umělý nanopór: křemíkový plátek s otvory v nanoměřítku a vyložený uhlíkovými nanotrubičkami, jejichž vodivost se mění s průchodem DNA.
Jeden z těchto přístupů bude mít průlom a bude schopen sekvenovat rychlostí rychlejší a levnější než to, co děláme nyní, předpovídá Deamer. Ani výzkumníci z Oxford Nanopore, ani ti z konkurenčních laboratoří nejsou ochotni spekulovat o tom, kdy se tak stane nebo kolik by takový systém stál na genom. Ale Schloss říká, že je možné, že jedna ze skupin splní původní cílový rok 2014 National Human Genome Research Institute pro úspěšné sekvenování nanopórů.