Αποκωδικοποίηση του DNA με ένα επιστημονικό όργανο τσέπης προσδιορισμού της αλληλουχίας DNA Understand article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Τα επιστημονικά όργανα προσδιορισμού της αλληλουχίας DNA (sequencers) που λειτουργούν με USB και είναι μικρότερα από…

Ποιες ήταν οι μεγαλύτερες τεχνολογικές εξελίξεις του 20ού αιώνα; Οι υπολογιστές μπορεί να είναι το πρώτο πράγμα που έρχεται στο μυαλό μας: οι πρώτοι υπολογιστές για στρατιωτική και εμπορική χρήση κατελάμβαναν ένα ολόκληρο δωμάτιο πριν μετατραπούν σε μικρότερα, προσιτά καταναλωτικά προϊόντα τη δεκαετία του 1980. Η υπολογιστική ισχύς έχει προχωρήσει με τέτοιο ρυθμό που τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα που χρησιμοποιούμε σήμερα μπορούν να εκτελέσουν εργασίες που ακόμα και οι πιο ισχυροί υπολογιστές δεν μπορούσαν να πετύχουν πριν από δεκαετίες. Τώρα, μια άλλη τεχνολογία φέρνει την επανάσταση με έναν παρόμοιο τρόπο: η συσκευή προσδιορισμού της αλληλουχίας DNA (DNA sequencer).

Μια νέα μέθοδος γενετικής αλληλουχίας καθιστά ευκολότερη από ποτέ την αποκωδικοποίηση του DNA.
Iaroslav Neliubov/Shutterstock.com
 

Το DNA αποθηκεύει τις γενετικές πληροφορίες που κληροδοτούνται από γενιά σε γενιά. Παρόμοια με τον τρόπο που οι υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες ως μια σειρά από μηδενικά και μονάδες, οι πληροφορίες στο DNA αποθηκεύονται ως κωδικός τεσσάρων βάσεων: Α, Τ, C και G (αδενίνη, θυμίνη, κυτοσίνη και γουανίνη).

Το 2003 αναλύθηκε το πρώτο ανθρώπινο γονιδίωμα – το πλήρες σύνολο γενετικών πληροφοριών. Χρειάστηκαν επτά χρόνια, 150 επιστήμονες και 3 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ (2,5 δισεκατομμύρια ευρώ) για να ολοκληρωθεί το έργο μαμούθ. Σήμερα, το ίδιο έργο μπορεί να επιτευχθεί σε λίγο περισσότερο από μία ημέρα για περίπου 1000 δολάρια (850 ευρώ). Επιπλέον, η αποκωδικοποίηση του DNA δεν χρειάζεται να πραγματοποιηθεί σε ένα μεγάλης κλίμακας εργαστήριο: μπορεί να γίνει με μια φορητή συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας (sequencer) που χωράει στην τσέπη σας. Αυτή η αξιοσημείωτη μείωση του κόστους και του μεγέθους οφείλεται σε μια νέα τεχνική που ονομάζεται nanopore sequencing (προσδιορισμός της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων).

Εικόνα 1: Μια συσκευή
προσδιορισμού αλληλουχίας
με την χρήση νανοπόρων
(nanopore sequencer)
συνδεδεμένη με ένα φορητό
υπολογιστή μέσω USB. Το
διάλυμα DNA (κίτρινο)
προστίθεται με
σταγονόμετρο.

Oxford Nanopore Technologies
 

Πως λειτουργεί ο προσδιορισμός της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencing);

Οι φορητές συσκευές προσδιορισμού αλληλουχίας DNA (sequencers) κυκλοφορούν στην αγορά από το 2015. Η διαδικασία προσδιορισμού αλληλουχίας είναι απλή και, σε αντίθεση με τις προηγούμενες μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας DNA, οι επιστήμονες δεν χρειάζεται να κάνουν εκατομμύρια επιπλέον αντίγραφα του DNA ή να επισημάνουν το DNA με φθορίζουσες ή ραδιενεργές ετικέτες. Κατ ‘αρχάς, το DNA εξάγεται – για παράδειγμα, από έναν βαμβακοφόρο στυλεό (μπατονέτα με επίχρισμα) ή δείγμα αίματος – και αναμιγνύεται με ένα ιοντικό διάλυμα για να το προετοιμάσει για αλληλούχιση. Αυτό το υγρό DNA στη συνέχεια διοχετεύεται κατευθείαν στην συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencer), η οποία συνδέεται σε ένα φορητό υπολογιστή μέσω ενός τυπικού καλωδίου USB (εικόνα 1).

Μέσα στην συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencer), ένα ένζυμο ξετυλίγει τη διπλή έλικα του DNA και περνά μια από τις αλυσίδες μέσω ενός νανοπορίου – ενός μικροσκοπικού καναλιού στο κέντρο ενός μορίου πρωτεΐνης τοποθετημένο σε μια μεμβράνη. Μια τάση εφαρμόζεται σε όλο τον νανοπόρο, προκαλώντας τα ιόντα στο διάλυμα να κινηθούν μέσω του πόρου και να δημιουργήσουν ένα ιοντικό ρεύμα. Το κανάλι είναι ακριβώς το σωστό μέγεθος για να περάσει από μέσα του η αλυσίδα του DNA. Καθώς κάθε μία από τις τέσσερις βάσεις του DNA έχει διαφορετικό μέγεθος, μπλοκάρει ένα διαφορετικό ποσοστό του νανοπορίου όταν περνάει από μέσα του. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει περισσότερος ή λιγότερος χώρος για να περάσουν τα ιόντα μέσω του νανοπορίου, και έτσι περισσότερο η λιγότερο ρεύμα μπορεί να περάσει μέσα από τη σχισμή (εικόνα 2). Το ιοντικό ρεύμα μετριέται και τα δεδομένα μεταφέρονται στον υπολογιστή και αναλύονται από ειδικό λογισμικό που μετατρέπει τις μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο στην ακολουθία του DNA – ένα αρχείο κειμένου με τα γράμματα A, T, C και G.

Εικόνα 2: Εικόνα της αρχής λειτουργίας μιας συσκευής προσδιορισμού αλληλουχίας DNA με την χρήση νανοπόρων (nanopore DNA sequencer). Μια αλυσίδα DNA διέρχεται μέσω ενός νανοπορίου, και ένα ιοντικό ρεύμα μετράται και μεταφράζεται στην αλληλουχία του DNA.
Kerstin Göpfrich
 

Ανάλογα με το πόσα δεδομένα ακολουθίας του DNA θέλετε να παράγετε, η συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας μπορεί να τρέξει για λεπτά ή ημέρες. Ένας τρόπος για να αναλύσετε τα δεδομένα είναι να τα ανεβάσετε σε μια ηλεκτρονική βάση δεδομένων DNA και να τα συγκρίνετε με γνωστές ακολουθίες. Με αυτό τον τρόπο, μπορείτε να μάθετε σε ποια είδη ανήκει το DNA, αν υπήρχαν παθογόνα στο δείγμα και ποια γονίδια είναι παρόντα. Η αλληλούχιση με τη χρήση νανοπόρων είναι εντυπωσιακά γρήγορη, αλλά τυπικά παράγει μικρότερο όγκο δεδομένων από άλλες μεθόδους αλληλούχισης. Επομένως, τα Κέντρα αλληλούχισης θα παραμείνουν σημαντικά για τη λήψη μεγάλων όγκων δεδομένων.

Εφαρμογές του προσδιορισμού της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων

Οι συσκευές προσδιορισμού αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencers) ανοίγουν πολλές νέες δυνατότητες για την αλληλούχιση του DNA. Έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό ιών, βακτηριδίων και παρασίτων σε νοσοκομειακό περιβάλλον. Πιο συγκεκριμένα, το 2015 μια ομάδα επιστημόνων πήρε τον πρώτο φορητό εξοπλισμό αλληλούχισης στη Δυτική Αφρική και ανέλυσε δείγματα αίματος από 142 ασθενείς κατά τη διάρκεια της επιδημίας Έμπολα για να παρακολουθήσει την εμφάνιση νέων στελεχών (βλ Bryk, 2017). Οι επιστήμονες ταυτοποίησαν το ιογενές DNA σε κάθε δείγμα μετά από 15 μόνο λεπτά αλληλούχισης, επιδεικνύοντας τις δυνατότητες της νέας τεχνολογίας στο να παρακολουθεί τις επιδημίες και να βοηθά στην στόχευση φαρμάκων και εμβολίων για την άμεση ενημέρωση των μέτρων ελέγχου. Στο μέλλον, ο προσδιορισμός της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων θα μπορούσε επίσης να επιταχύνει την ταυτοποίηση καρκίνων, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική για τους επιθετικούς όγκους· αυτή τη στιγμή, μπορεί να χρειαστούν εβδομάδες από τη στιγμή της συλλογής του δείγματος DNA ενός ασθενούς μέχρι να ληφθεί το αποτέλεσμα από ένα εργαστήριο.

Φορητές συσκευές προσδιορισμού αλληλουχίας DNA (DNA sequencers) χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση των επιδημιών, όπως φαίνεται εδώ κατά τη διάρκεια της επιδημίας Ζίκα στη Βραζιλία
Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ
 

Οι φορητές συσκευές προσδιορισμού αλληλουχίας DNA (DNA sequencers) χρησιμοποιήθηκαν επίσης για τον εντοπισμό άγνωστων ειδών σε απομακρυσμένες περιοχές, όπως σε ψηλά βουνά και σε βαθιές θάλασσες. Ακόμη πιο μακριά, ανακοινώθηκε στις αρχές του 2018 ότι οι αστροναύτες της NASA είχαν εντοπίσει επιτυχώς μικροοργανισμούς που βρέθηκαν στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό χρησιμοποιώντας προσδιορισμό αλληλουχίας DNA με την χρήση νανοπόρων. Αυτό σημαίνει ότι οι αστροναύτες θα μπορούσαν ενδεχομένως να διαγνώσουν λοιμώξεις χρησιμοποιώντας έναν προσδιοριστή αλληλουχίας για τον εντοπισμό ιικού ή βακτηριακού DNA από τα δικά τους επιχρίσματα στόματος. Κάποια μέρα, ίσως οι συσκευές προσδιορισμού αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencers)  θα μπορούσαν ακόμη και να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση του DNA σε άλλους πλανήτες.

Χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία, η αλληλούχιση του DNA μπορεί τώρα να πραγματοποιηθεί από τους μαθητές στην τάξηw1 – για παράδειγμα, προσδιορισμός της αλληλουχίας του DNA των φρούτων σε ένα smoothiew2 (χυμό φρούτων). Ενώ το κόστος των φορητών συσκευών προσδιορισμού αλληλουχίας  DNA μπορεί να παραμένει απαγορευτικό για ευρεία χρήση, η τεχνολογία αυτή ανοίγει πολλές νέες ευκαιρίες για έργα επιστήμης και εκπαίδευσης των πολιτών.

Δεοντολογία της αλληλούχισης DNA

Ο προσδιορισμός της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencing) είναι η μοναδική τεχνολογία που επιτρέπει τον προσδιορισμό της αλληλουχίας DNA πλήρων γονιδιωμάτων με φορητά μέσα. Προς το παρόν, ο καθένας μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα οικιακό σετ με εξοπλισμό γενετικού ελέγχου που κοστίζει λιγότερο από 150 ευρώ. Αλλά σε αντίθεση με τον προσδιορισμό της αλληλουχίας  με την χρήση νανοπόρων, η οποία μπορεί να προσφέρει ένα αποτέλεσμα βάσης με βάση, αυτά τα σετ αναλύουν μόνο συγκεκριμένα γονίδια και τα αποτελέσματα είναι μερικές φορές αμφισβητήσιμα.

Καθώς η αλληλούχιση ολόκληρου του γονιδιώματος του DNA καθίσταται ολοένα και πιο προσιτή λόγω του προσδιορισμού της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων, θα είναι σημαντικό να εξεταστούν τα δεοντολογικά ζητήματα. Όσο περισσότερα DNA αναλύουμε, τόσο καλύτερα θα κατανοούμε τις επιπτώσεις της γενετικής προδιάθεσης στην υγεία. Αλλά ενώ τα γονίδια μπορούν να προβλέψουν την πιθανότητα ορισμένων ασθενειών, οι παράγοντες του τρόπου ζωής συχνά αποφασίζουν το αποτέλεσμα. Ιδιωτικές εταιρείες εμπορεύονται ήδη αμφίβολα «ωροσκόπια υγείας» που βασίζονται σε δοκιμές DNA – συχνά παραμελώντας την πολυπλοκότητα και την πιθανολογική φύση των γονιδιωματικών δεδομένων.

Τα δεδομένα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν λανθασμένα για νέες μορφές διάκρισης. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν οι ασφαλιστικές εταιρείες υγείας να επιλέξουν τους πελάτες τους ανάλογα με τα γενετικά προφίλ; Θα μπορούσαν τα αρχεία των DNA να είναι διαθέσιμα στην αστυνομία; Λόγω αυτής της ξαφνικής μικρογράφησης των συσκευών προσδιορισμού αλληλουχιών DNA, καταρχήν ο καθένας θα μπορούσε να κατέχει μια τέτοια συσκευή και να αναλύει το DNA, όπως θέλει – συγκεκριμένα, ένας προσδιοριστής αλληλουχιών DNA με ένα έξυπνο κινητό τηλέφωνο  (smartphone) είναι ήδη υπό ανάπτυξηw3. . Όλοι αφήνουμε ίχνη DNA παντού  όπου πηγαίνουμε, οπότε  τα προσωπικά δεδομένα είναι τώρα ένας αυξανόμενος λόγος ανησυχίας.

Όπως οι υπολογιστές και τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα (smartphones), έτσι και οι συσκευές προσδιορισμού αλληλουχίας DNA έχουν τη δύναμη να αλλάξουν τη ζωή μας – αλλά πρέπει να συνεργαστούμε, ολόκληρη η κοινωνία, για να μεγιστοποιήσουμε τις ευκαιρίες, ενώ παράλληλα να περιορίσουμε τους κινδύνους της αλληλούχισης του DNA.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Για ένα podcast για την αλληλούχιση του DNA στην τάξη με τη συμμετοχή και των δύο δημιουργών αυτού του άρθρου, επισκεφτείτε την ιστοσελίδα Naked Scientists.
  • w2 – Μάθετε περισσότερα για μια διαδραστική δοκιμασία αλληλούχισης του DNA που δημιουργήθηκε από τους συγγραφείς, με τίτλο ‘DNA my smoothie’.
  • w3 – Επισκεφτείτε την ιστοσελίδα Oxford Nanopore Technologies για να διαβάσετε για την πιο πρόσφατη συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας DNA που βρίσκεται υπό ανάπτυξη.

Resources

  • Προγραμματίστε μια συζήτηση μεταξύ των συγγραφέων και των μαθητών σας κανονίζοντας ένα ραντεβού μέσω της ιστοσελίδας Ring-a-Scientist – ένα έργο που υποστηρίζεται από το Wikimedia Deutschland, το Stifterverband και το Ίδρυμα Volkswagen στο πλαίσιο του προγράμματος Open Science Fellows. Οι συγγραφείς μπορούν να σας εξηγήσουν τα πειράματα προσδιορισμού αλληλουχίας ζωντανά μέσω μιας τηλεδιάσκεψης.
  • Για να μάθετε περισσότερα για τον προσδιορισμό της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων, επισκεφτείτε την ιστοσελίδα Oxford Nanopore Technologies.
  • Για ενημερωμένες πληροφορίες σχετικά με το έργο της NASA για την αλληλούχιση του DNA στο διάστημα, επισκεφθείτε το μπλογκ Oxford Nanopore Technologies, ή ακούστε μία συνέντευξη με τον Dr Aaron Burton.
  • Το Wellcome Genome Campus παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες, συμπεριλαμβανομένων και πηγών στην τάξη, για όλα όσα σχετίζονται με το DNA.

Author(s)

Η Δρ Kerstin Göpfrich είναι επιστημονική συνεργάτης και μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Max Planck για Ιατρικές Έρευνες στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας με εμπειρία σε τεχνολογίες νανοπόρων (nanopore). Δημιούργησε την πλατφόρμα Ring-a-Scientist για τη σύνδεση των επιστημόνων και των εκπαιδευτικών με την χρήση τηλεδιάσκεψης.

Η Δρ Kim Judge είναι ανώτερη επιστήμονας στο Ινστιτούτο Sanger του Cambridge, Ηνωμένο Βασίλειο, όπου εργάζεται πάνω στην αλληλούχιση του DNA χρησιμοποιώντας νανοπόρους και άλλες τεχνολογίες αλληλούχισης.


Review

Αυτό το ενδιαφέρον άρθρο ασχολείται με ένα από τα κύρια θέματα της βιολογίας: το μόριο DNA. Συγκεκριμένα, εστιάζει σε μια νέα τεχνική που επιτρέπει την ταχύτερη και φθηνότερη αλληλούχιση του DNA χρησιμοποιώντας μια ισχυρή αλλά μικρή συσκευή.

Αυτό το νέο εργαλείο, που ονομάζεται nanopore sequencing (προσδιορισμός αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων), έχει τη δυνατότητα να ανοίξει πόρτες σε διάφορες εφαρμογές. Στο κοντινό μέλλον, θα μπορούσε να είναι τόσο απλό στη χρήση όσο και τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα (smartphones) σήμερα. Ωστόσο, η ευκολία με την οποία μπορεί να αναλυθεί το DNA των ανθρώπων δημιουργεί σημαντικά ηθικά ζητήματα.

Μαζί με τις εικόνες και τα γραφικά, το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει τις τεχνικές της μοριακής βιολογίας που εμπλέκονται στην ανάγνωση και την αλληλούχιση της διπλής έλικας του DNA και πώς ο προσδιορισμός της αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων θα μπορούσε να αντικαταστήσει προηγούμενες μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για συζητήσεις σχετικά με τα δεοντολογικά ζητήματα και τα προβλήματα του απορρήτου όσον αφορά τα γενετικά προφίλ.

Οι ερωτήσεις κατανόησης θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν:

  • Γιατί κάθε νουκλεοτίδιο προκαλεί διαφορετικό ιοντικό σήμα στη συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων;
  • Ποιοι τύποι μορίων θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μετακίνηση του DNA μέσω των νανοπόρων (nanopore);
  • Πώς λειτουργεί η συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας DNA με την χρήση νανοπόρων (nanopore sequencer);
  • Εξηγήστε δύο ή τρεις νέες εφαρμογές για την συσκευή προσδιορισμού αλληλουχίας με την χρήση νανοπόρων.
  • Ποια είναι τα ηθικά ζητήματα που περιβάλλουν τη χρήση των συσκευών προσδιορισμού αλληλουχιών DNA;

Ana Molina, καθηγήτρια φυσικών επιστημών, Γυμνάσιο IES Gil y Carrasco, Ισπανία




License

CC-BY