https://frosthead.com

Ny bildeteknikk for nanoteknologi kaster lys over DNA-strukturen

For biologer overalt er 25. april lykkebringende. Det er DNA-dagen og minnes datoen i 1953 da forskerne Francis Crick, Rosalind Franklin, James Watson og Maurice Wilkins publiserte vitenskapelige artikler som beskrev den spiralformede strukturen til DNA-molekylet. I 2003 ble 25. april brukt til å kunngjøre gjennomføringen av Human Genome Project. Nå feirer årlige festligheter på denne dagen livets molekyl med nye funn. Hva bedre tid til å gi et nytt bilde av DNA.

Jeg er DNA DAVE (eller i det minste min lisensplate siden 1984 sier det), og en av tingene som laboratoriet mitt liker å gjøre er å "se" DNA. Vi tar bilder av DNA slik at vi direkte kan måle ting som er vanskelig å tallfeste ved hjelp av indirekte metoder som vanligvis innebærer sekvensering av de fire kjemiske enhetene av DNA, kalt baser.

DNA-bilde Det første avslørende bildet av DNA tatt ved bruk av røntgendiffraksjon. (Raymond Gosling / King's College London)

For eksempel vil jeg vite hvor på hvert kromosom prosessen med DNA-replikasjon begynner. Feilfri duplisering av DNA er avgjørende for å produsere sunne celler. Når denne prosessen er ufullstendig eller forstyrret, kan resultatet føre til kreft og andre sykdommer.

I bildet vårt er den kjente doble heliksetrappen ikke synlig fordi dette perspektivet er zoomet ut - som å se på kartet over et land kontra en by. Hvert av disse molekylene tilsvarer også 50.000 omdreininger av den helikale trappen - et betydelig segment av et menneskelig kromosom.

Lage et kart over DNA

DNA-nanoteknologi avbildningsmetode

Dette bildet, tatt med en enhet som kalles Bionano Genomics Saphyr imager, inneholder individuelle DNA-molekyler - farget i blått, grønt og rødt. Disse DNA-strengene er blitt justert ved å trenge dem gjennom smale rør - kalt nano-kanaler - som bare passer til ett stykke DNA. Når DNA glir inn i røret, blir trådene rett.

Hele DNA-molekylet er farget blått og de grønne flåttmerkene er landemerker - eller spesifikke DNA-sekvenser som i gjennomsnitt forekommer hvert 4500 basepar. Mønsteret med landemerker gir et unikt fingeravtrykk som forteller oss hvor vi er langs kromosomets lengde. De røde lysstoffskjermene merker stedene der DNAet har begynt å replikere. Disse nettstedene kalles “opprinnelse av replikasjon” og er der DNAet først avvikles slik at dupliseringsprosessen kan starte.

Forskere ved Bionano Genomics i San Diego utviklet denne nano-kanalteknologien for å kartlegge regioner av kromosomer som ellers var uhåndterbare, på grunn av vanskelige genetiske sekvenser som gjør det vanskelig å bestemme rekkefølgen på de fire basene. Denne enheten løste problemet ved å "se" på arrangementet av sekvenser på ett molekyl av gangen og er i stand til å lese 30 milliarder basepar på en time - tilsvarer 10 menneskelige genomer.

Teamet mitt og det av Nick Rhind ved University of Massachusetts erkjente at denne nano-kanalteknologien ville tillate oss å utføre et eksperiment som aldri ble forsøkt før: kartlegge alle stedene der DNA-replikering begynner samtidig på millioner av enkeltstående DNA-fibre.

Før en celle kan dele seg i to uavhengige celler, må DNA lage en kopi av seg selv, slik at hver enkelt får et komplett sett med kromosomer. For å forstå hvordan arvestoffet dupliseres er det viktig å vite hvor langs kromosomet prosessen begynner. Det har vært den største utfordringen å studere hvordan replikasjonen av våre egne kromosomer foregår, og følgelig hva som går galt ved så mange sykdommer, som kreft, der replikasjonen går galt.

DNA-replikasjon og kreft

DNA-replikasjonsdiagram Hver gang en celle deler DNA-dobbelt helix må duplisere seg selv for å gi en kopi av de genetiske instruksjonene til begge cellene. (Soleil Nordic / Shutterstock.com)

Opprinnelsesreferanser har vært unnvikende fordi de forekommer på mange steder på forskjellige molekyler, så vi må se på enkelt DNA-molekyler for å oppdage dem. Selv om forskere har vært i stand til å se enkelt-DNA-molekyler siden begynnelsen av 1960-tallet, kunne vi ikke fortelle hvor i kromosomene noe molekyl kom fra, slik at vi ikke kunne kartlegge noe.

Kyle Klein, doktorgrad. student i laboratoriet mitt, merket levende menneskelige stamceller med røde lysstoffrørmolekyler som markerte steder der DNA-replikasjon fant sted, som ble kartlagt med Bionano-enheten. Disse bildene ble deretter lagt over på de blå og grønne DNA-kartene over de samme DNA-molekylene.

Vi forventer at denne metoden fullstendig transformerer vår forståelse av hvordan menneskelige kromosomer replikerer. Siden de fleste cellegiftmedisiner for kreftbehandling og de fleste kreftfremkallende stoffer - eller kreftfremkallende kjemikalier - i miljøet vårt fungerer ved å angripe DNA når den replikeres, forventer vi at denne metoden gir en rask og omfattende test for hvordan disse kjemikaliene forstyrrer DNA-replikasjon. Vi håper også det avslører hvordan vi kan lindre disse negative konsekvensene, og hvordan vi kan utvikle bedre og mindre giftige cellegiftbehandlinger.


Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation. Samtalen

David M. Gilbert, professor i molekylærbiologi, Florida State University

Ny bildeteknikk for nanoteknologi kaster lys over DNA-strukturen