„DNA, RNA i białka są kluczowymi graczami regulującymi wszystkie procesy w komórkach naszego ciała” – wyjaśnia profesor John van Noort z Leiden. „Aby zrozumieć (nieprawidłowe) funkcjonowanie tych cząsteczek, konieczne jest odkrycie, w jaki sposób ich struktura 3D zależy od ich sekwencji, a w tym celu konieczne jest mierzenie ich po jednej cząsteczce na raz. Jednak pomiary pojedynczych cząsteczek są pracochłonne i powolne, a liczba możliwych wariantów sekwencji jest ogromna”.

Od dekad do dni

Teraz zespół naukowców opracował innowacyjne narzędzie o nazwie SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space), które umożliwia badanie milionów cząsteczek DNA jednocześnie. „Tradycyjne techniki, które pozwalają na badanie jednej sekwencji na raz, zazwyczaj wymagają godzin pomiaru na sekwencję. Dzięki SPARXS możemy zmierzyć miliony cząsteczek w ciągu dnia do tygodnia. Bez SPARXS taki pomiar zająłby kilka lat lub dekad” — mówi profesor z Delft Chirlmin Joo.

„SPARXS umożliwia nam badanie dużych bibliotek sekwencji, dostarczając nowych spostrzeżeń na temat tego, jak struktura i funkcja DNA zależą od sekwencji. Ponadto technika ta może być używana do szybkiego znajdowania najlepszej sekwencji do zastosowań od nanotechnologii po medycynę spersonalizowaną” — dodaje doktorantka Carolien Bastiaanssen.

Nigdy wcześniej nie łączone

Aby stworzyć nową technikę SPARXS, naukowcy połączyli dwie istniejące technologie, które nigdy wcześniej nie były ze sobą łączone: fluorescencję pojedynczych cząsteczek i sekwencjonowanie Illumina nowej generacji. W pierwszej technice cząsteczki są znakowane barwnikiem fluorescencyjnym i wizualizowane za pomocą czułego mikroskopu. Druga technika odczytuje miliony kodów DNA jednocześnie. Joo: „Zajęło nam rok, aby ustalić, czy połączenie tych dwóch technik jest wykonalne, kolejne cztery lata zajęło opracowanie metody działania, a kolejne dwa lata zajęło zapewnienie dokładności i spójności pomiarów przy jednoczesnym zarządzaniu ogromną ilością generowanych danych”.

„Prawdziwa zabawa i interesująca część zaczęła się, gdy musieliśmy zinterpretować dane” – mówi pierwszy autor Ivo Severins. „Ponieważ te eksperymenty, które łączą pomiary pojedynczych cząsteczek z sekwencjonowaniem, są zupełnie nowe, nie mieliśmy pojęcia, jakie wyniki uzyskamy i jakie możemy uzyskać. Wymagało to wielu poszukiwań w danych, aby znaleźć korelacje i wzorce oraz określić mechanizmy leżące u podstaw wzorców, które widzimy”.

Pokonywanie wyzwań związanych z przetwarzaniem danych

Innym wyzwaniem, jakie musieli pokonać, było radzenie sobie z dużą ilością danych, dodaje Van Noort: „Musieliśmy opracować zautomatyzowany i solidny proces analizy. Było to szczególnie trudne, ponieważ pojedyncze cząsteczki są delikatne i emitują tylko niewielką ilość światła, co sprawia, że ​​dane są z natury zaszumione. Ponadto uzyskane dane nie dają bezpośredniego wglądu w to, jak sekwencja wpływa na strukturę i dynamikę DNA, nawet w przypadku stosunkowo prostych struktur DNA, które badaliśmy. Aby naprawdę przetestować nasze zrozumienie, stworzyliśmy model, który uwzględnia naszą wiedzę na temat struktury DNA i porównaliśmy go z danymi eksperymentalnymi”.

Postępy medyczne

Bardziej precyzyjna manipulacja i zrozumienie sekwencji DNA prawdopodobnie doprowadzi do postępu w leczeniu, takim jak skuteczniejsze terapie genowe i medycyna spersonalizowana. Naukowcy przewidują również innowacje biotechnologiczne i ogólnie lepsze zrozumienie biologii na poziomie molekularnym. Joo: „Spodziewamy się, że zastosowania w badaniach genetycznych, rozwoju leków i biotechnologii zaczną pojawiać się w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat”.