Hogyan működik a DNS-szekvenálás

A DNS szekvenálása nagyon-nagyon egyszerű: van egy molekula, megnézed, leírod, amit találsz. Azt gondolhatnád, hogy könnyű lesz - és így is van. A probléma nem a DNS-molekula láncolatában található egyes láncszemek kémiai azonosságának vizsgálata és ellenőrzése, hanem több tízmilliószor történő ellenőrzése, miközben lényegében nem hibázik. Hogy az, ami nehéz, de a DNS természete olyan, hogy ha csak a helyes szekvencia 95% -át kapta meg, akkor lehet, hogy egyáltalán nincs semmi. Tehát hogyan olvassák a tudósok a biológia tervrajzait, és hogyan építik meg velük a modern orvostudomány és a biotechnológia hatalmas részét?

Nagyjából egy Frederick Sanger nevű sráccal kezdődött az egész. Sanger ötletes módszert készített egy DNS-molekula leolvasására, amelynek során a DNS-bázisok speciális változatát, az úgynevezett dDNS-t vagy di-dezoxi-ribonukleinsavat használták fel. A „di” arra a tényre utal, hogy a dDNS bázisok nincsenek mindkét az RNS-bázisokon található -OH-csoportok közül, míg a normál dezoxi-ribonukleinsav (DNS) még mindig rendelkezik ilyennel. A normál DNS-bázisokban ez az egyetlen -OH csoport a DNS-molekula láncában a következő láncszem kapcsolódási pontjaként működik. Egyik saját nélkül a dDNS-bázisok nem képezhetik a DNS jellegzetes láncait, ezért minden növekvő láncnövekedési folyamatot befejeznek, amikor beépülnek egy növekvő DNS-szálba. Sanger rájött, hogy kihasználhatja a dDNS-bázisok ezt a tendenciáját, hogy megállítson minden láncnyúlási folyamatot, hogy lássa magát a lánc szekvenciáját.

A DNS-szekvenálás sebessége ugrásszerűen növekszik, de folytatódhat-e ez a tendencia?

A DNS-szekvenálás sebessége ugrásszerűen növekszik, de folytatódhat-e ez a tendencia?



Tegyünk egy gyors gondolatkísérletet: Tegyük fel, hogy van egy 4 bázisú DNS-molekulám az ATGC szekvenciával, bár ezt a szekvenciát nem ismerem, és szeretném. Tudom, hogy a DNS elég könnyen reprodukálható; csak melegítsd addig a pontig, hogy a kettős spirál két különálló szálra „olvadjon” enzimek jelenlétében, amelyek szabadon lebegő DNS-bázisokat rájuk pattintanak, és végül két különálló kettős spirál lesz, ahol eredetileg volt egy. De mi van akkor, ha a szabadon lebegő bázisok, amelyekre rákattintanak ezekre az egyetlen szálakra, a szabályos DNS-bázisok és a „terminális” dDNS-alapok keverékei?

Nos, ebben az esetben a termékek keverékét kapnánk, attól függően, hogy a növekvő láncokban a fluoreszcensen jelölt terminális dDNS bázisok hova kerültek. Az ATGC molekulánk esetében a replikált szálak egy része teljes hosszúságú és jelöletlen lenne - egyáltalán nem történt dDNS-bázis beillesztése. De a végén egy dupla DNS szál végződik a dDNS C bázisán - csak egyetlen A-C bázispár. Hasznosabban kapnánk két alapú szálakat, amelyek G-vel végződnének, három bázisú szálakat, amelyek T-vel végződnek, és négy-bázisú szálakat, amelyek A-vel végződnek. Ez a CGTA szekvencia-olvasatát adja nekünk , vagyis az eredeti komplementer szekvencia ATGC volt.

Ennek a folyamatnak az automatizálása azonban még mindig túl lassú maradt ahhoz, hogy lehetővé tegye a modern orvostudomány és a genomika által igényelt meta-analízis típusát. Itt jött be az úgynevezett „masszívan párhuzamos szekvenálás”, amelyet néha köznyelven sörétes szekvenciának is neveznek. Ez alapvetően arra az elképzelésre utal, hogy ha egy hosszú DNS-szekvenciát kisebb töredékekre bont, egyszerre olvashatja el mindet. Sok-sok példányt kell elolvasnia a teljes mintából, mivel el kell vennie ezt a töredezett adatot, és egy puzzle-szerű algoritmust kell futtatnia, hogy rájöjjön, hogyan is működtek együtt.

Selexa szekvenálás, egyszerűsítve.

Selexa szekvenálás, egyszerűsítve.

A legnépszerűbb ezek közül a sörétes puskamódszerek közül valószínűleg a Solexa volt, amely a DNS felszakadását és egy üveglemezhez tapadását látta. A folyamat reverzibilis terminálbázisokat használ - olyan bázisokat, amelyek leállítják a láncnövekedési folyamatot egy ideig, amíg a tudósok nem választják feloldásukat, és engedélyezik a következő link hozzáadását. A szigorú add-read-unblock ciklus lehetővé teszi a tudósok számára, hogy pillanatfelvételt készítsenek sok millió töredékről, és mindegyik végén olvassák le az alapot, mielőtt engedélyeznék egy másik ideiglenesen terminál alap hozzáadását, és új pillanatképet készítenének.

A tömegesen párhuzamos szekvenálás megváltoztatta a játékot a genomika kutatói számára, de még ezeknek a technikáknak a lépése is forradalmasíthatja a közegészségügyet azáltal, hogy a hatalmas szekvenciasebességet sokkal megfizethetőbbé és praktikusabbá teszi. Erre több versengő ajánlat létezik, de mindannyian megpróbálják teljesen eltávolítani a DNS-replikációs folyamatot - a DNS-molekula úgynevezett „közvetlen” leolvasását anélkül, hogy szükség lenne a DNS rendetlen, igényes, időigényes reakciójára enzimekkel.

MinION USB stick DNS-szekvenszer

A következő generációs DNS-szekvenátorok nem csupán gyorsak - praktikusak.

E legkorábbi technológiák közül a legsikeresebb a nanopórusos szekvenálás. Ez a módszer valójában egy DNS-szálat táplál egy vezető anyagban lévő póruson keresztül. Amint az alapok ezen a nanorészen keresztül haladnak, kissé eltérő méretük a pórust jellegzetes mértékben megnyújtja - és ez a pórus mechanikai stresszének változása az elektromos vezetőképesség változását jelenti. Ha leolvassuk a vezetőképesség változását, amikor a DNS szála nanopóruson keresztül táplálkozik, akkor ezek a szekvenátorok felszámolhatják a régiek replikációs reakcióit.

Ez fontos lesz, mivel egyre több olyan DNS-technológiát találnak ki, amelyek segíthetnek a vendégszeretet nélküli környezetben dolgozó munkavállalóknak, vagy csak a háziorvosok millióinak szerte a világon, akik nem engedhetik meg maguknak, hogy Solexa-kísérletet végezzenek nap mint nap. A szekvenálási technika fejlesztése néhány új kutatási kaput nyit meg, de a jól finanszírozott laboratóriumok számára a szekvenciázás korlátai már csillagászatilag magasak. Ezen a ponton az újabb, jobb szekvenálástechnika importálása képes demokratizálni a fizikai tudományok valószínűleg legfejlettebb ágát. Az áttörések sorozata új tudományos meglátásokat tehet lehetővé, de valószínűbb, hogy lehetővé teszik egy ideje a tapasztalataink valós felhasználását.

Mindazokat a cikkeket, amelyeket a személyre szabott orvoslás lehetőségeiről olvasott? Az ilyen típusú szekvenciális áttöréseket folytatni kell, hogy valósággá váljanak. De ellentétben a világ grafénjeivel és szupravezetõivel, a technikai szekvenálás szinte tagadhatatlanul akarat érjen oda, és ne lassan. Tehát a kérdés már nem válik: „Hogyan szekvenálhatunk több DNS-t?” hanem inkább: 'Mit tehetünk ezekkel a szekvenciákkal, ha már minél több kézbe adtuk őket?'

Tekintse meg az 2007es.com magyarázataink sorozatát, ahol a mai legforróbb technológiai témákról olvashat részletesebben.

Copyright © Minden Jog Fenntartva | 2007es.com