Kako se čita DNK?

Glavni informacioni molekul u našim ćelijama je molekul DNK. Jezikom tajnih šifri, pomoću samo četri slova (A, T, G, C) ona kontroliše proizvodnju drugih molekula koji izvršavaju razne funkcije kao što su razni proteini i RNK molekuli.

DNK, foto: sxc.hu
DNK, foto: sxc.hu

Informacije za odvojene proteine su zapisani u odvojenim (ponekad i neodvojenim) funkcionalnim celinama- genima. Svaki gen kodira sintezu jednog molekula ribonukleinske kiseline (RNK) koji dalje podleže svojoj sudbini u ćeliji. Naravno, geni u ćeliji nisu odvojeni jedni od drugih, već oni funkcionišu zajedno, kako bi doveli do precizne kontrole i koordinacije različitih procesa u našem organizmu.

Zato je se veliki broj naučnika prošlog veka okrenuo projektu koji je vodio mapiranju različitih gena, njihovoj identifikaciji i funkcionalnoj analizi, pa i posledičnom sekvenciranju celog genoma čoveka-Human genome project.

Naravno da možete zamisliti koliko je mukotrpan proces to bio, kad se uzme u obzir sam način sekvenciranja. Ljudski genom sadrži oko 3,2 milijarde nukleotida, i za celokupno sekvenciranje je bilo potrebno oko 13 godina i preko tri milijarde dolara, i veliki broj naučnika koji su radili na tome.

Ove godine, grupa istraživača na Oksfordu koja se bavi istraživanjem nanopora (Oxford Nanopore) je smislila novi, revolucionarni sistem za sekvenciranje DNK. Uređaj koji su napravili je veličine USB priključka, košta oko 900 dolara, i jednostavno ga uključite u kompjuter sa odgovarajučim softverom , i on je u mogućnosti da sekvencira 100 miliona nukleotida za šest sati.

Kako on radi?

Prikaz prolaska molekula DNK kroz nanoporu, foto: Wikimedia
Prikaz prolaska molekula DNK kroz nanoporu, foto: Wikimedia

Uređaj se sastoji iz specijalno dizajniranog proteina-nanopore koji u sredini ima šupljinu širine 1-2 nm koji je umetnut u sintetičku membranu, koja po svojim električnim osobinama (veliki otpor protoku jona Na+/K+ kroz nju) jako nalikuje na prirodne membrane koje obavijaju naše ćelije. Kada se primeni razlika potencijala na dve različite strane membrane, doći će do protoka jona kroz šupljinu nanopore, i taj protok se može detektovati precizinim mernim instrumentima kao slaba struja. Naravno, ako nešto stoji na putu protoka jona, doći će do pada intenziteta struje, i upravo ovaj fenomen se koristi za sekvenciranje molekula DNK i RNK.

Pošto svako slovo šifre – nukleotidi A-adenin, T-timin, G-guanin i C-citozin imaju odgovarajuće hemijske strukture i oblik u prostoru, oni u različitoj meri zapušavaju poru pri prolasku kroz nju, i na ovo se superponira i niz karakterističnih hemijskih reakcija koje nukleotidi ostvaruju sa porom omogućujući da potencijalna energija sistema bude najniža, i tako daju karakteristične šablone struje za svaki nukleotid.

Dodavanjem u rastvor proteina koji će da “nađu” molekul DNK, da ga dovedu do pore, i pošto je molekul u formi dvostruke zavojnice, da ga “otvore” tako da on prolazi kroz poru dobijamo veoma brz i jednostavan sistem sekvenciranja koji ne zahteva prethodno umnožavanje količine molekula DNK u tzv. PCR reakciji kao konvencionalne , do sad korišćene metode.

Prikaz promene intenziteta struje tokom prolaska različitih molekula kroz poru, foto: Wikimedia
Prikaz promene intenziteta struje tokom prolaska različitih molekula kroz poru, foto: Wikimedia

Princip koji ovaj uređaj, nazvan MinION, koristi omogućava i prepoznavanje nestandardnih baza (inozin, uracil) i modifikovanih baza unutar DNK kao što je 5-metil citozin, koji je jedan od glavnih epigenetskih regulatora ekspresije gena, tj, određivanja da li će se neki geni čitati ili ne, i čiji su razni poremećaji povezani sa velikim brojem ozbiljnih bolesti, uključujući i kancer .

Za razliku od starog načina “traženja” 5-metil citozina po genomu- bisulfitnog sekvenciranja koje može često dovesti do degradacije molekula DNK, MiniION nas dovodi jedan korak bliže personalizovanoj medicini, olakšavajući sam proces sekvenciranja, i omogućavajući da sekvenciranje DNK u budućnosti potencijalno bude jedno od osnovnih oruđa lekara.