За биологе широм света, 25. априла је повољан. Дан ДНК и обележава датум 1953. године, када су научници Францис Црицк, Росалинд Франклин, Јамес Ватсон и Маурице Вилкинс објавили семинарске научне радове који описују спиралну структуру молекула ДНК. 2003. године, 25. априла коришћен је за најаву завршетка пројекта Људски геном. Сада годишње прославе овог дана прослављају молекул живота новим открићима. Које је боље време за пружање нове слике ДНК.
Ја сам ДНК ДАВЕ (или бар моја регистарска таблица од 1984. године тако говори), а једна од ствари коју мој лабораториј воли је "видети" ДНК. Снимамо ДНК слике тако да директно можемо мерити ствари које је тешко квантификовати индиректним методама које обично укључују секвенционирање четири хемијске јединице ДНК, назване базе.
Прва откривајућа слика ДНК узета коришћењем рендгенске дифракције. (Раимонд Гослинг / Кинг'с Цоллеге Лондон) На пример, волео бих да знам где на сваком хромозому започиње процес репликације ДНК. Умножавање ДНК без грешака је од суштинске важности за производњу здравих ћелија. Када је овај процес непотпун или поремећен, резултат може изазвати рак и друге болести.
На нашој слици није познато видљиво степениште са двоструком спиралом јер је та перспектива умањена - попут гледања мапе земље према граду. Такође је сваки од ових молекула еквивалентан 50.000 обртаја спиралног степеништа - суштински сегмент људског хромозома.
Прављење мапе ДНК
Ова слика, снимљена уређајем под називом Бионано Геномицс Сапхир има одликује појединачне молекуле ДНК - обојене у плаву, зелену и црвену боју. Ови ланци ДНК су поравнати провлачењем кроз уске цеви - назване наноканалима - који одговарају само једном комаду ДНК. Док ДНК клизи у цев, праменови се исправљају.
Цео молекул ДНК је обојен плаво, а зелене ознаке су ознаке - или специфичне секвенце ДНК које се појављују у просеку на сваких 4.500 базних парова. Образац оријентира пружа јединствен отисак прста који нам говори где смо дужине хромозома. Црвени флуоресцентни шљокице означавају места на којима је ДНК почела да се реплицира. Та се места називају „порекло репликације“ и где се ДНК најпре одмотава како би процес умножавања могао започети.
Истраживачи из Бионано Геномицс-а у Сан Диегу развили су ову технологију наноканала за прављење региона хромозома који се иначе не могу разумети, због сложених генетских секвенци због којих је тешко одредити редослед четири базе. Овај уређај је решио проблем „гледањем“ распореда секвенци на једној молекули у једном тренутку и у стању је да у једном сату прочита 30 милијарди базних парова - што је еквивалент 10 хуманих генома.
Мој тим и тим Ницка Рхиндда са Универзитета у Массацхусеттсу препознали су да ће нам ова технологија наноканала омогућити спровођење експеримента који никада раније није покушао: мапирати све локације на којима истовремено почиње репликација ДНК на милионима влакана једног ДНК.
Пре него што ћелија може да се подели у две независне ћелије, ДНК мора да направи копију себе тако да свака добије комплетан сет хромозома. Да бисте разумели како се дуплира генетски материјал, неопходно је знати где дуж хромозома процес почиње. То је био највећи изазов проучавању начина на који се дешава репликација наших сопствених хромозома и последично шта иде по злу код многих болести, попут рака, у којима репликација полази по злу.
Репликација ДНК и рак
Сваки пут када ћелија подели двоструку спиралну ДНК, мора се дуплирати да би обезбедио копију генетских упутстава обе ћелије. (Солеил Нордиц / Схуттерстоцк.цом) Порекло репликације је било неизбежно јер се јављају на многим местима на различитим молекулима, тако да морамо да погледамо појединачне молекуле ДНК да бисмо их открили. Иако су научници били у могућности да виде појединачне молекуле ДНК од раних 1960-их, нисмо могли да утврдимо одакле хромозоми долази неки молекул, тако да нисмо могли ништа да пресликамо.
Киле Клеин, доктор наука студент у мојој лабораторији, означен живим људским матичним ћелијама црвеним флуоресцентним молекулама који су обележавали места на којима се одвијала репликација ДНК, а који су пресликани помоћу Бионано уређаја. Те слике су затим нанесене на плаву и зелену мапу ДНК истих ДНК молекула.
Очекујемо да ће ова метода у потпуности трансформисати наше разумевање начина на који се хумани хромозоми умножавају. Штавише, пошто већина лекова за хемотерапију за лечење рака и већина канцерогених састојака - или хемикалија које изазивају рак - у нашем окружењу делују нападајући ДНК када се реплицирају, очекујемо да ће ова метода пружити брз и свеобухватан тест како ове хемикалије нарушавају репликацију ДНК. Надамо се такође да ће открити како можемо ублажити ове негативне последице и како можемо развити боље и мање токсичне терапије хемотерапијом.
Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Давид М. Гилберт, професор молекуларне биологије, Универзитет Флорида
