Genom z gwizdka

Genom z gwizdka

Dzięki nowej technologii badań DNA będzie można odczytywać kod genetyczny otaczających nas żywych organizmów w każdym miejscu na ziemi. Nawet bez specjalistycznego przygotowania. Genetyka się demokratyzuje.

Jeszcze do niedawna prof. Massimo Delledonne, genetyk z Uniwersytetu w Weronie, z wyprawy do tanzańskiej dżungli przywiózłby dziesiątki próbek, które testowałby w laboratorium we Włoszech. Czasy się zmieniają i Delledonne, który od maja bada w Tanzanii tamtejsze żaby, może pracować na miejscu, w dżungli, a potrzebny do tego sprzęt ma... w kieszeni. Już na początku wyprawy przeprowadził pierwsze terenowe testy genetyczne dzikiej żaby. Co w tym nadzwyczajnego? Wszystko, ponieważ do tej pory sekwencjonowanie DNA, czyli odczytywanie informacji genetycznej jakiegoś organizmu, zajmowało mnóstwo czasu i był do tego potrzebny sprzęt ważący czasem nawet tonę. Delledonne od roku posługuje się nową technologią, którą opracowała firma Oxford Nanopore z Wielkiej Brytanii, i dlatego wielkie, stacjonarne sekwenatory zastąpił podręcznym MinION-em – nie mylić z filmem o Minionkach – o rozmiarach gwizdka. Testują go naukowcy w 40 krajach, w tym również w Polsce. MinION wykorzystuje metodę sekwencjonowania DNA, którą genetycy nazywają nanoporową. Wygląda to tak, że prof. Delledonne pracując na MinION-ie, przesyła online dane z terenowego odczytu do analizy genetycznej i za pomocą specjalnej aplikacji łączy się z platformą Metrichor, czyli bazą danych w chmurze. Efekt? Jego laboratorium podróżuje razem z nim.

NA WYNOS

„Technology Review”, magazyn związany z prestiżową amerykańską uczelnią techniczną MIT, napisał niedawno, że sekwencjonowanie nanoporowe, pozwalające przyspieszyć odczytywanie DNA i zminiaturyzować sprzęt do tego służący, jest obecnie jedną z dziesięciu technologii, które zmienią świat. Dlaczego jest ona tak przełomowa? Z kilku powodów. W przyszłości może bowiem umożliwić przeprowadzanie badań DNA właściwie wszystkim, którzy będą tego chcieli, i praktycznie wszędzie. Laboratorium przestanie być niezbędne do poznania kodu genetycznego. Możliwe nawet, że czytanie genomu nie będzie już zarezerwowane wyłącznie dla ekspertów. Upowszechnienie sekwencjonowania przyniesie więc wielkie zmiany. I nie chodzi tylko o bardziej dostępne i tanie badania DNA człowieka, bo przecież własny kod genetyczny posiada wszystko, co żyje. Nowa technologia pozwoli więc szybko i tanio odczytywać, za pomocą podręcznego sprzętu, genom roślin i zwierząt w tak różnych miejscach, jak np. szklarnia, oczyszczalnia ścieków czy amazońska dżungla, gdzie wciąż odkrywane są nowe gatunki zwierząt. A ze względu na coraz krótszy czas odczytu kodu genetycznego dramatycznie powiększy się też z pewnością zbiór danych GOLD (Genomes Online Database), czyli kolekcja opisanych już genomów żywych organizmów.

Genetycy są jednak na razie ostrożni. Według dr. Jeffery’a A. Schlossa, dyrektora wydziału nauki o genomie w amerykańskim Narodowym Instytucie Badań nad Genomem Człowieka w Bethesda, dotychczasowe doniesienia użytkowników MinION-u są rzeczywiście obiecujące, ale studzi emocje, bo jest za wcześnie, żeby odtrąbić sukces. Przypomina, że wciąż nie jest najlepiej z dokładnością odczytów. Mimo to dr Schloss przyznaje, że metoda nanoporowa ma olbrzymi potencjał. – Mogłaby w przyszłości odczytywać genom szybciej i być może dokładniej niż inne dostępne dotąd narzędzia – mówi tygodnikowi „Wprost”. – Poza tym nie wymaga tak bogatej infrastruktury, która jest niezbędna w przypadku metod starszej generacji, dzięki czemu miałaby szanse na szerokie zastosowanie. Na czym polega sekwencjonowanie nanoporowe? Mechanizm działania MinION-u opisała dr Magdalena Kotowska z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda PAN we Wrocławiu. W jej pracy „Kurs szybkiego czytania DNA” czytamy, że w przeciwieństwie do starszych metod sekwencjonowania, sekwencjonowanie genomu za pomocą techniki nanoporowej odbywa się przez odcinanie nukleotydu po nukleotydzie (z nukleotydów zbudowane są kwasy nukleinowe, np. DNA, przechowujące informację genetyczną organizmu) z analizowanej nici DNA. Odcinane nukleotydy przechodzą przez nanopory w specjalnej membranie, czyli przez miniotwory (przedrostek „nano” oznacza niewielki rozmiar), w których mierzone jest natężenie prądu. Każdy z nukleotydów powoduje inną zmianę natężenia prądu rejestrowaną przez amperomierz. Te zmiany pozwalają odróżnić fragmenty DNA.

Jeden z pracowników Oxford Nanopore opisuje mi tę metodę bardziej obrazowo. Mam sobie wyobrazić kuchenny zlew, a w nim otwór, przez który spływa woda. I trzeba zaobserwować, ile spływa wody przez ten otwór i co się z nią dzieje. Następny krok to nałożenie na otwór siatki, która spowoduje, że woda zachowa się inaczej niż na początku. Ten sam manewr należy powtórzyć np. z brzoskwinią, która zmieni kształt strumienia. Za każdym razem woda będzie się zachowywać inaczej. Teraz zapomnijmy o tym, co jest w otworze, i przyglądajmy się tylko wodzie. Sposób, w który spływa, może świadczyć o tym, że otwór zatkano czymś bardziej lub mniej przepuszczalnym. Naukowcy z Oksfordu w podobny sposób przyglądają się prądowi elektrycznemu wytwarzanemu przez przeciskające się przez mikroskopijne otwory fragmenty DNA. Zmiany natężenia prądu świadczą o tym, że otwór został zatkany jakimś konkretnym fragmentem DNA. Upraszczając: technologia stworzona przez Nanopore przekształca cechy biologiczne w informacje cyfrowe w czasie rzeczywistym.

KILOMETRY DNA

Z punktu widzenia lekarzy, którzy od lat próbują wykorzystać genetykę w profilaktyce, najważniejsze w sekwencjonowaniu nanoporowym jest tzw. długie czytanie DNA, co zresztą odróżnia je od innych metod, nawet tych równie szybko odkodowujących genom. Odczytywanie dłuższych sekwencji genomu pozwala uniknąć przegapienia tych fragmentów DNA, w których zamiast genów występujących w dwóch kopiach, co przez lata uznawano za normę, są geny pojedyncze albo występujące w trzech kopiach. A to ma olbrzymie znaczenie w rozpoznawaniu podatności na niektóre choroby. Poza tym wykrycie nieprawidłowości w strukturze chromosomu może świadczyć o możliwości rozwinięcia się nowotworu, a takie mutacje ma szansę wychwycić nowa technologia. Nic dziwnego, że dr Schloss nieposzatkowane odczyty informacji genetycznej uznaje za kluczową zaletę MinION-u.

– Ludzkie chromosomy są bardzo długimi cząsteczkami, składają się z setek milionów par zasad (długość cząsteczek DNA podaje się w parach zasad, ang. base-pairs, czyli bp, ich liczba jest liczbą nukleotydów składających się na oba łańcuchy kwasu nukleinowego – przyp. red.), tymczasem większość używanych dotychczas metod sekwencjonowania potrafi czytać tylko kilkaset par zasad naraz – tłumaczy dr Schloss. – A im dłuższe fragmenty można czytać, tym bardziej reprezentatywny wynik odczytu otrzymujemy.

Oxford Nanopore chwalił się niedawno, że ich metodą można odczytać 100 tys. nukleotydów naraz, czyli nawet 100 razy więcej niż mogą to zrobić inne firmy. Ale wyścig na długość odczytu trwa nadal. Zresztą również na wysokość ceny. Nanoporowy MinION też chce konkurować ceną. Jest już dostępny od roku i został poddany testom użytkowników z całego świata, którzy wspólnie z producentem pracują nad jego udoskonaleniem. Swoimi spostrzeżeniami dzielą się m.in. na blogach linkowanych na stronie Nanopore. Przepustka do tego specyficznego programu użytkowania MinION-u kosztuje 1000 dolarów. Naukowcy, którzy zdecydowali się nim posługiwać, mają dostęp do genetycznej bazy danych stworzonej przez producenta wtedy, kiedy jej potrzebują. W praktyce płacą więc nie za ogromnych rozmiarów sprzęt stojący w ich laboratorium za cenę kilkuset tysięcy dolarów, czasem bezczynnie, ale za konkretne badania wykonywane w czasie rzeczywistym.

RODZINNA HISTORIA W DNA

Coraz tańsze i szybsze metody sekwencjonowania DNA przyspieszą też zapewne rozwój firm, które oferują zwykłym zjadaczom chleba usługi z zakresu tzw. genetyki komercyjnej. W USA ten sektor usług, choćby za sprawą 23andMe, wręcz rozkwita. Robienie badań DNA, które pomogą sprawdzić, skąd pochodzą twoi przodkowie – jak reklamuje się AncestryDNA, za jedyne 99 dolarów staje się wręcz modne. 23andMe widzi też swoją przyszłość w skrojonej na miarę medycynie.

W lutym br. 23andMe otrzymała pozwolenie na sprzedaż testów genetycznych w kierunku zespołu Blooma (choroba dziedziczna objawiająca się m.in. niskim wzrostem i uczuleniem na słońce). Kto wie, czy troska o własne zdrowie nie okaże się lepszą motywacją do odkodowania swojego DNA niż odtwarzanie drzewa genealogicznego. W każdym razie rynek testów genetycznych rośnie. Według magazynu „Technology Review” sprzedaż testów genetycznych ma osiągnąć do 2020 r. 60 mld dolarów! Nic dziwnego, że firmy takie jak Oxford Nanopore zerkają i na komercyjny segment genetyki. Z nieoficjalnych źródeł wiadomo na przykład, że stworzona niedawno przez Oxford Nanopore bazująca na danych w chmurze platforma analityczna Metrichor będzie mogła sprzedawać badania genetyczne każdemu klientowi, nie tylko ekspertom takim jak wspomniany na początku Massimo Delledonne z Uniwersytetu w Weronie. W Oxford Nanopore trwają też prace nad mieszczącym się w dłoni urządzeniem, nazwanym roboczo VolTRAX, które zamieni pobrany materiał genetyczny, np. w postaci krwi, śliny, w próbkę gotową do badania metodą nanoporową. Techniczne przygotowanie do przeprowadzenia takich czynności przestanie być potrzebne. Być może już wkrótce odczytywanie własnego DNA stanie się tak powszechne i proste, jak sprawdzanie poziomu cukru we krwi. �

©� WSZELKIE PRAWA ZASTRZEŻONE

Okładka tygodnika WPROST: 33/2015
Więcej możesz przeczytać w 33/2015 wydaniu tygodnika „Wprost”
Zamów w prenumeracie lub w wersji elektronicznej:

Czytaj także

 0

Czytaj także