Группа ученых под руководством Virginia Commonwealth University physicist Jason Reed, разработала новую технологию нанокартирования, которая может трансформировать способ диагностики и открытия болезнь вызывающих генетических мутаций. Этот новый подход использует высокоскоростную atomic force microscopy (AFM) в комбинации с базирующейся на CRISPR технике химического штрихового кодирования (barcoding), чтобы картировать ДНК почти столь же аккуратно, как и секвенирование ДНК, в то же время обрабатывает крупные секции генома с очень высокой скоростью. Более того -- технология может быть усилена частями, обнаруженными в нашем обычном DVD плеере.

Геном человека содержит биллионы пар оснований ДНК. Расправленная она растягивается в длину почти в 6 футов. Когда клетки делятся то они д. осуществить копирование своей ДНК для новой клетки. Однако, временами разные секции ДНК копируются некорректно или вклеиваются в неправильное место, приводя к генетическим мутациям, вызывающими болезни, такие как рак. Секвенирование ДНК является столь точным, что оно может анализировать индивидуальные пары оснований ДНК. Но чтобы проанализировать крупные секции генома для обнаружения генетических мутаций, технология д. определять миллионы крошечных последовательностей и затем соединять их вместе с помощью компьютерных программ. Напротив, биомедицинская техника изображений, такая как fluorescence in situ hybridization (FISH) может анализировать ДНК только с разрешением в несколько сотен тысяч пар оснований.

Новый метод Reed's высокоскоростной AFM может картировать ДНК с разрешением в десятки пар оснований, в то же время создавая изображения размером до миллиона пар оснований. При этом используется фракция от количества образцов, необходимых для секвенирования ДНК.

"Секвенирование ДНК является мощным инструментом, но оно всё ещё весьма дорогостоящее и имеет несколько технологических и функциональных ограничений, которые затрудняют эффективное и аккуратное картирование крупных областей генома," говорит Jason Reed. "Наш подход перебрасывает мостик через пропасть между секвенирование ДНК и др. техниками физического картирования с низким разрешением. Он может быть использован как самостоятельный метод или он может дополнять секвенирование ДНК путем уменьшения сложности и ошибок, когда собираются вместе маленькие биты генома, анализируемые во время процесса секвенирования."

Ученые IBM сделали важное открытие в 1989, когда они разработали технологию AFM и использовали родственную технику для приведения в порядок молекул на атомном уровне, чтобы расшифровать "IBM." AFM достигла такого уровня детализации с использованием микроскопического stylus -- подобно игле на проигрывателе -- который лишь едва касается поверхности изучаемого материала. Взаимодействие между пером прибора (stylus) и молекулами создает изображение. Однако, традиционная AFM слишком медленная для медицинского использования, поэтому она первоначально использовалась инженерами в материаловедении.

"Наше устройство работает тем же самым способом, как и AFM, но мы перемещаем выборку после стилуса со значительно большей скоростью и используем оптические инструменты для детекции взаимодействия между стилусом и молекулами. Мы можем достичь того же самого уровня детализации, как и при традиционной AFM, но может обрабатывать материал больше чем в тысячу раз быстрее," говорит Reed, чья команда показала. что технология может стать основным направлением при использовании оптического оснащения, имеющегося в DVD плеерах. "Высокоскоростная AFM идеально приспособлена для некоторых медицинских применений, т.к может обрабатывать материал быстро и предоставлять в сотни раз большее разрешение, чем сопоставимые методы получения изображений."

Увеличение скорости AFM пока является одним из узких мест, а Reed и его коллеги преодолели это. Чтобы действительно идентифицировать генетические мутации в ДНК, они разработали способ распознавания паттернов и нерегулярностей. Остроумное решение химического штрихового кода было разработано с использованием формы CRISPR технологии.

CRISPR стала очень важной технологией в отношении редактирования генов. CRISPR является ферментом, которого ученые оказались способны "программировать", используя целенаправленно РНК, чтобы разрезать ДНК в точном месте, которая затем репарируется самой клеткой. Команда Reed's изменила условия химической реакции CRISPR энзима, так что он только барабанит (sticks) по ДНК и в действительности не разрезает её.

"Поскольку энзим CRISPR является белком, который физически крупнее, чем молекула ДНК, то он является подходящим для такого barcoding использования," говорит Reed. "Мы были поражены, открыв, что этот метод на 90% эффективен при соединении с молекулами ДНК. И поскольку легко видеть белки CRISPR, то вы можете обнаруживать генетические мутации среди образцов ДНК ".

Чтобы продемонстрировать эффективность техники, исследователи картировали генетические транслокации, присутствующие в биоптатах из лимфатических узлов пациентов. Транслокации особенно превалируют при раке крови, таких как лимфома но и при др. раковых опухолях также.

Поскольку имеется значительный потенциал использования этой технологии, то Reed и его команда сфокусировались на медицинском использовании. На сегодня они разработали программы, базируясь на существующих алгоритмах, которые могут анализировать паттерны на участках ДНК величиной свыше миллиона пар оснований. Как только это будет завершено, нетрудно будет представить этот инструмент с коробку обуви в патологических лабораториях, помогающий диагностировать и лечить заболевания, связанные с генетическими мутациями.