Sekwencjonowanie DNA: szybsze i tańsze?

Dwa badania właśnie zaproponowały metody sekwencjonowania DNA. Metody dość podobne do siebie, o wiele bardziej przystępne i szybsze. Zasada działania? Przepuścić prostą nić molekuły przez maleńki otworek i przy okazji odkryć podpis elektroniczny każdego z nukleotydów. Czy oznacza to, że będziemy wkrótce mogli poznać cały swój genom w 15 minut?

Ciemne i jasne strony genetyki

Genetyka może czasami grać przeciwko nam: weźmy na przykład liczne choroby, takie jak rak, choroba Alzheimera albo nawet cukrzyca... Każdy z nas jest mniej lub bardziej zagrożony niektórymi patologiami, które właśnie zależą od niektórych genów.

Dlatego też, dobrze by było, gdybyśmy mogli poznać całą sekwencję nukleotydową, która składa się na geny, aby wyprzedzić pojawianie się chorób. Co prawda, od lat siedemdziesiątych XX wieku nie jest to już AŻ tak wielka przeszkoda, dzięki sekwencjonowaniu DNA.

Technika ta bowiem pozwala na ujawnianie sekwencji zasad azotowych. Bazy azotowe z kolei stanowią kluczową molekułę jąder komórkowych.

Metody sekwencjonowania DNA znacznie się rozwinęły na przestrzeni dziesięcioleci: wystarczy wspomnieć tutaj opracowanie automatów do sekwencjonowania.

Co nie zmienia faktu, że takie badania wciąż są drogie i wiążą się długim czasem oczekiwania na wyniki. Gwoli przykładu, najbardziej wydajne urządzenia są w stanie rozszyfrować około 2 milionów nukleotydów w pół dnia. Jest to czas wystarczający, aby odczytać kilka genów.

Ale w rzeczywistości, potrzeba aż  800 dni (dosłownie, powyżej 2 lat), aby tego typu urządzenie było w stanie ustalić porządek 3,2 mld baz, które tworzą ludzkie DNA. Zrozumiałe jest więc, że naukowcy w dalszym ciągu pracują nad szybszymi procesami.

A teraz, dwa badania wspomniane wyżej, proponują rozwiązanie, być może skuteczne.

Sekwencjoniwanie DNA przez porynę?

Jedna z tych prac, opublikowana w przeglądzie naukowym Nature Biotechnology, odwołuje się do pomocy białka porynowego oraz do motoru molekularnego. Prace te przeprowadzili amerykańscy naukowcy z uniwersytetu Waszyngtona w Seattle.

Chodzi o to, że dzięki genetycznej modyfikacji poryny A bakterii Mycobacterium segmatis, naukowcom udalo się otrzymać molekułę z porem o średnicy jednego nanometra, czyli naprawdę z bardzo maleńkim porem (miliardowa część metra). Tak maleńka średnica z kolei pozwala na przejście tylko jednej bazy DNA za jednym razem.

Ten nanopor jest pokryty membraną zanurzoną w roztworze chlorku potasu. Naukowcy następnie aplikują niskie napięcie elektryczne, aby spowodować przemieszczanie się jonów o bardzo niskiej intensywności. Ta intensywność z kolei będzie się zmieniać w momencie, kiedy przez nanopor będą przechodzić cztery bazy DNA, czyli adenina, cytozyna, guanina i tymina.

Bazy te pozostawią charakterystyczny dla siebie podpis elektroniczny. Zasadę tę przetestowano już, ale molekuła przechodziła zbyt prędko i czytnik nie był w stanie jej wychwycić i dokonać precyzyjnych pomiarów. Dlatego też naukowcy dorzucili „motor molekularny”, czyli enzym nazywany polimerazą DNA phi29.

Enzym ten jest znajdowany u bakterii Bacillus subtilis skażonych bakteriofagami (wirusy atakujące bakterie). A motor ten sprawia, że nukleotydy przechodzą przez nanopor co 10 milisekund, co jest prędkością odpowiednią dla czytnika, który w tym czasie może wykryć sygnał elektroniczny.

Reasumując: badaczom udało się odczytać sześć nici DNA, o długości od 42 do 53 nukleotydów. Co więcej, w ten sposób można wykrywać również modyfikacje epigenetyczne (obecność albo brak molekuł regulujących ekspresję genów; mają one wpływ na pojawianie się niektórych chorób).

Grafen: świeże odkrycie

W drugim badaniu, przeprowadzonym przez badaczy z uniwersytetu Delaware w Stanach Zjednoczonych, również chodzi o nanopory, które przepuszczają DNA, ale tym razem pory te znajdują się w strukturze grafenu. Badania te zostały opublikowane w przeglądzie naukowym Nano Letters.

Grafen jest pochodną grafitu, czyli odmiany węgla. Grafit mamy w ołówkach, na przykład, tak więc jest to element bardzo dobrze nam znany i wykorzystywany w celach praktycznych. A grafen jest jakby „arkuszem” grafitu o grubości jednego atomu.

Wiele zespołów naukowych posłużyło się już tą techniką, ale bez powodzenia. A dzięki prądowi elektrycznemu, który przechodzi bądź poprzecznie, bądź pionowo przez por w strukturze grafenu, naukowcy byli w stanie wykryć zmiany w przewodności związane z przechodzeniem każdej z baz azotowych.

W obydwu przypadkach, badacze oceniają, że koszt takiej techniki będzie mniejszy niż 1 000 dolarów (dla porównania, przeprowadzenie takiego badania kilka lat temu kosztowało tysiące dolarów).

A prędkość tych technik również jest imponująca. Być może, któregoś dnia wystarczy garść złotówek, abyśmy mogli w ciągu kilku minut (sekund?) poznać cały swój genom?