Dekodiranje DNK sekvenatorom džepne veličine Understand article

Prevela Jelana Cvetanović (Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu). USB sekvenator manji od vašeg pametnog telefona mogao bi da donese preokret prilikom dekodiranja DNK – u bolnicama, u dalekim predelima pa čak i u svemiru.

Šta su bila najveća tehnološka dostignuća 20. veka? Kompjuter nam verovatno prvi pada  na pamet: prvobitni kompjuteri za potrebe vojske i komercijalnu upotrebu zauzimali su čitavu prostoriju pre nego što su transformisani u manje i dostupnije proizvode široke potrošnje krajem 80-tih godina dvadesetog veka. Moć računara je toliko napredovala da pametni telefoni koje danas koristimo mogu da rade sve ono što nekada najmoćniji kompjuteri nisu mogli. Sada jedna nova tehnologija doživljava neverovatan napredak: DNK sekvenator.

Nova metoda genetičkog sekvenciranja čini dekodiranje DNK lakšim nego ikada.
Iaroslav Neliubov/Shutterstock.com
 

DNK sadrži genetske informacije koje se prenose među generacijama. Slično kao što kompiuteri čuvaju informacije kao niz nula i jedinica, DNK informacije nalaze se u obliku šifre koju čine četiri baze: A, T, C i G (adenin, timin, citozin i guanin).

Tokom 2003. godine sekvenciran je prvi ljudski genom – kompletan set genetskih informacija čoveka . Da bi se dovršio ovaj izuzetno veliki projekat bilo je potrebno sedam godina. U njemu je učestvovalo 150 naučnika i uloženo je 3 milijarde dolara (2.5 milijarde evra). Danas se isti posao može uraditi za dan-dva i košta oko 1000 dolara (850) evra. Štaviše, dekodiranje DNK ne mora više da se radi u sveobuhvatnoj laboratoriji: može se uraditi uz pomoć portabl sekvenatora koji može da  stane u džep. Ovo neverovatno smanjenje u ceni koštanja i veličini nastalo je zahvaljujući novoj tehnici nazvanoj nanoporno sekvenciranje.

Slika 1: Nanoporni
sekvenator povezan sa
laptopom preko USB-a.  DNK
rastvor (žuto) ubacuje se
pipetom

Oxford Nanopore Technologies
 

Kako se radi nanoporno sekvenciranje?

Portabl DNK sekvenator se nalazi na tržištu još od 2015. godine. Proces sekvenciranja je jednostavan i za razliku od drugih metoda DNK sekvenciranja, naučnici ne moraju da naprave milione dodatnih kopija DNK ili da obeležavaju DNK fluorescentnim ili radioaktivnim obeleživačima. Prvo se DNK izdvoji – na primer iz brisa, ili uzorka krvi – i pomeša sa jonskim rastvorom kako bi se pripremila za sekvenciranje. Ovakav DNK rastvor se potom direktno pipetira u nanoporni sekvenator, koji je povezan sa laptopom preko standardnog USB kabla (slika 1).

Unutar nanopornog sekvenatora, jedan enzim raspliće dvostruku zavojnicu DNK i prenosi jedan od lanaca kroz nanoporu – mikroskopski kanal u centru proteinskog molekula smeštenog u membrani. Kroz nanoporu se pusti struja koja prouzrokuje kretanje jona kroz poru i stvaranje jonske struje. Kanal je dovoljno velik da kroz njega prođe DNK lanac. Pošto je svaka od četiri baze DNK različite veličine, ona zauzima različiti deo prostora nanopora dok prolazi kroz njega. To znači da za jone postoji više ili manje prostora da prolaze kroz ovaj kanal, odnosno više ili manje jonske struje može kroz njega proći (slika 2). Jonska struja se meri a podaci se prenose do kompjutera i analiziraju se od strane stručnjaka za softvere koji pretvaraju merenja u realnom vremena u DNK sekvencu- zapis koji se sastoji od slova A,T, C i G.
 

Slika 2: Ilustracija principa rada nanopornog DNK sekvenatora. Lanac DNK prolazi kroz nanoporu, i jonska struja se meri i prevodi  u DNK sekvencu.
Kerstin Göpfrich
DNA double helix: DNK dvostruka zavojnica, Ammeter: Ampermetar, DNA base: DNK baza, Voltage source: Izvor struje, Unwinding enzyme: Enzim za despiralizaviju DNK, Nanopore: Nanopora, Current:  Sruja, Time: Vreme, Membrane: Membrana, Ionic current: Jonska struja

U zavisnosti od toga koliko podataka  DNK sekvenciranja želite da prikupite, sekvenator može da radi od  par minuta do nekoliko dana.  Jedan od načina  da se analiziraju podaci je da se prenesu u onlajn DNK bazu podataka i upoređuju  sa već poznatim sekvencama. Na ovaj način možete da saznate  kojoj vrsti DNK pripada, da li su postojali patogeni u uzorku i koji su geni prisutni. Nanoporno sekvenciranje je neverovatno brzo ali uglavnom prikuplja manju količinu podataka od ostalih metoda sekvenciranja. Stoga će centri za sekvenciranjei dalje ostati veoma važni za prikupljanje velike količine podataka.

Primena nanopornog sekvenciranja

Nanoporni sekvenatori otvaraju nove mogućnosti za sekvenciranje DNK. Oni se već koriste za identifikovanje virusa, bakterija i parazita u bolnicama. Što je još važnije, 2015. godine tim naučnika upotrebio je prvi put  terensku opremu za sekvenciranje u Zapadnoj Africi i sekvencirali su uzorke krvi od 142 pacijenta tokom epidemije ebole da bi zapazili pojavu novih lanaca (vidite Bryk, 2017). Naučnici su identifikovali virusnu DNK u svakom uzorku posle svega 15 minuta od sekvenciranja, pokazujući potencijal nove tehnologije da prati epidemije i pomogne da se poronađe lek ili vakcina koja će odmah pokazati pozitivan efekat. U budućnosti, nanoporno sekvenciranje bi moglo da ubrza identifikaciju tipova raka, što je pogotovo važno kod agresivnih tumora; trenutno je potrebno da prođe nekoliko nedelja od prikupljanja uzorka pacijentove DNK  do dobijanja rezultata iz laboratorije.

Portabl DNK sekvenatori se koriste za praćenje epidemija, kao što je prikazano ovde tokom epidemije zike u Brazilu
Univerzitet u Birmingemu
 

Portabl DNK sekvenatori takođe se upotrebljavaju za identifikovanje nepoznatih vrsta u dalekim, nepristupačnim predelima, kao na primer na  visokim planinama i u dubokim morima.  Štaviše NASA je objavila početkom 2018. godine da su njeni astronauti uspešno identifikovali mikrobe koje su pronašli na Međunarodnoj svemirskoj stanici koristeći nanoporno DNK sekvenciranje. To znači da bi astronauti potencijalno mogli dijagnostifikovati infekcije upotrebom sekvenatora koji identifikuje virusne i bakterijske DNK iz njihovih usta.Jednog dana, nanoporni sekvenator se može čak upotrebiti za analiziranje DNK na drugim planetama.

Upotrebom iste tehnologije, DNK sekvenciranje sada mogu izvesti učenici/studenti u učioniciw1 – na primer, sekvenciranje DNK voća iz smutija (smoothie)w2. Iako  portabl DNK sekvenciranje možda može biti nedostupno za širu primenu, ova tehnologija otvara mnogo novih mogućnosti u oblasti obrazovanja i naučnih projekata.

Etika DNK sekvenciranja

Nanoporno sekvenciranje je jedina tehnologija koja omogućava portable DNK sekvenciranje celokupnih genoma. Trenutno, svako može upotrebiti kućni set za genetsko ispitivanje čija je cena manja od 150 evra. Ali za razliku od nanopornog sekvenciranja, koji omogućava baza po baza rezultat, ovaj kućni može da analizira samo specifične gene, a i njegovi rezultati su ponekad nepouzdani.

Pošto DNK sekvenciranje čitavog genoma postaje sve dostupnije zahvaljujući nanopornom sekvenciranju, biće od izuzetne važnosti razmotriti i etička pitanja u vezi sa tim. Što više DNK sekvenciramo sve bolje ćemo razumeti zdravstvene implikacije  genetskih predispozicija. Ali dok geni mogu predvideti verovatnoću pojave određenih bolesti, način života ipak utiče na krajnji rezultat. Privatne kompanije već promovišu    “zdravstvene horoskope” zasnovane na  testiranju DNK,često zanemarujući složenost i prirodu verovatnoće genomskih podataka.

Podaci takođe mogu biti zloupotrebljeni za nove oblike diskriminacije. Na primer, da li će kompanije zdravstvenog osiguranja birati klijente na osnovu njihovog genetskog profila? Da li podaci o DNK mogu biti dostupni policiji? S obzirom da  postoji DNK sekvenator malih dimenzija, u principu, svako ga može imati i sekvencirati DNK – zapravo, DNK sekvenator u obliku pametnog telefonaw3. Svi mi ostavljamo tragove DNK gde god se krećemo, tako da raste zabrinutost o privatnosti.

Poput kompjutera i pametnih telefona, DNK sekvenatori imaju moć da menjaju naše živote – ali moramo zajedno da radimo kao društvo i maksimalno iskoristimo njegove mogućnosti, a ujedno smanjimo rizike koje DNK sekvenciranje donosi.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Dogovorite diskusiju između autora i vaših učenika tako što ćete ugovoriti sastanak putem website Ring-a-Scientist projekat koji podržava Wikimedia Deutschland, Stifterverband i Volkswagen fondacija koji su deo Open Science Fellow Program-a. Autori ovog članka vas mogu voditi  kroz eksperimente sekvenciranja uživo putem video konferencije.
  • Da biste naučili više o nanopornom sekvenciranju, posetite website Oxford Nanopore Technologies.
  • Za najnovije informacije u vezi sa NASA projektima o DNK sekvenciranju u svemiru, posetite blog Oxford Nanopore Technologies ili poslušajte intervju sa  dr Aaron Burton-om.
  • Wellcome Genome Campus pruža detaljne informacije, uključujući materijal za rad u učionici i svemu u vezi sa DNK.

Author(s)

Dr Kerstin Göpfrich je promoter nauke i istraživač na postdoktorskim studijima na Institutu za medicinska istraživanja Maks Plank u Hajdelbergu, Nemačka (Max Planck Insitute for Medical Research in Heidelberg, Germany)  sa iskustvom u nanopornim tehnologijama. Osnovala  je platformu Ring-a-Scientist da bi uz pomoć video konferencije povezala naučnike i nastavnike. 

Dr Kim Judge je iskusni naučnik na Sanger insitutu u Kembridžu, Ujedinjeno Kraljevstvo (the Sanger Institute in Cambridge, UK) koja se bavi sekvenciranjem koristeći nanopornu i ostale tehnologije za sekvenciranje.


Review

Ovaj zanimljivi članak bavi se jednom od glavnih tema u biologiji: DNK molekulom. On se posebno bavi novom tehnologijom koja omogućava brže i jeftinije DNK sekvenciranje koristeći mali ali moćni instrument.

Ova nova sprava naziva se nanoporni sekvenator i ima potencijal za razne primene. U bliskoj budućnosti, mogao bi biti jednostavan za upotrebu kao što su to danas pametni telefoni. Međutim upravo ta jednostavnost kojom se može sekvencirati DNK ljudi izaziva brojna etička pitanja.

Zajedno sa slikama i grafikonima, ovaj članak bi mogao da se upotrebi za objašnjenje tehnika u molekularnoj biologiji koje se koriste za čitanje i sekvenciranje dvostruke zavojnice DNK kao i kako bi nanoporni sekvenator mogao zameniti prethodne metode sekvenciranja. Takođe bi se mogao iskoristiti za diskusiju o etičkim pitanjima i problemima privatnosti koji su u vezi sa genetskim profilima.

Pitanja u vezi sa razumevanjem članka mogu biti:

  • Zašto svaki pojedinačni nukleotid izaziva različit jonski signal u nanopornom sekvenatoru?
  • Koji tipovi molekula pomažu pri kretanju DNK kroz nanoporu?
  • Kako DNK nanopor sekvenator radi?
  • Objasni dve do tri nove primene nanopornog sekvenatora?
  • Koja etička pitanja su vezana za DNK sekvenator?

Ana Molina, nastavnik prirodnih nauka, IES Gil y Carrasco srednja škola, Španija




License

CC-BY