نگاشت جهش های DNA با کمک روشی انقلابی و مبتنی بر کریسپر در پردازش تصویر

تیمی از دانشمندان با سرپرستی فیزیک دان دانشگاه مشترک المنافع ویرجینیا،جیسون رید، به توسعه ی یک فناوری جدید نگاشت تصویر نانو پرداخته که قادر به تشخیص و کشف جهش های ژنتیکی بیماری زا است. طبق مقاله ی مجله یNature Communications، این روش برجسته از میکروسکوپ پرسرعت نیروی اتمی (AFM) همراه با یک روش بارکدگذاری شیمیایی مبتنی برکریسپربرای نگاشتDNAبا دقتی برابر با توالی یابیDNAاستفاده می کند و به پردازش سریع بخش های بزرگی از ژنوم می پردازد.

پروفسور جیسون رید، عضو برنامه ی تحقیقاتی ژنتیک مولکولی سرطان در مرکز سرطان ماسیVCUو استادیار بخش فیزیک دانشگاه علومVCU

ژنوم انسانی از میلیاردها زوج مبنایDNAساخته شده است. طول این ژنوم به صورت بازشده، تقریبا به دو متر هم می رسد. وقتی سلول ها تقسیم شوند، باید یک کپی ازDNAخود را برای سلول جدید بسازند. با این حال، گاهی اوقات بخش های مختلفDNAبه صورت نادرست کپی می شوند یا در موقعیت نادرست قرار می گیرند و منجر به جهش های ژنتیکی و بیماری هایی مثل سرطان می شوند. توالی یابیDNAبسیار دقیق است؛ به طوری که می تواند زوج های مبنای مستقلDNAرا تحلیل کند. اما برای تحلیل بخش های بزرگ تری از ژنوم و یافتن جهش های ژنتیکی، تکنیسین ها باید میلیون ها توالی کوچک را تعریف کنند و آن ها را با نرم افزار کامپیوتری کنار هم قرار دهند. در مقابل، روش های پردازش تصویر پزشکی مثل پیوند طبیعی فلورسنس (FISH) تنها می توانندDNAرا با وضوح صدها زوج مبنا تحلیل کنند.

روشAFMسریع جیسون رید می تواندDNAبا با وضوع ده ها زوج مبنا تصویر کند و در عین حال تصویر های به اندازه ی یک میلیون زوج مبنا خلق کند. و این کار را با بخشی از نمونه های لازم برای توالی یابیDNAانجام می دهد.

جیسون رید، محقق ارشد این مطالعه می گوید:

توالی یابیDNAیک ابزار قدرتمند اما پرهزینه است و محدودیت های عملکردی و فناوری متعددی دارد که نگاشت بهینه و دقیق بخش های بزرگ ژنوم را دشوار می سازد. روش ما پلی بین توالی یابیDNAو روش های نگاشت فیزیکی دیگر ایجاد می کند که فاقد وضوح و دقت کافی هستند. می توان از این روش به عنوان یک متد مستقل استفاده کرد؛ یا اینکه می تواند با کاهش پیچیدگی و خطا هنگام کنار هم قرار دادن بیت ها ژنوم در طول فرآیند توالی یابی، مکملی برای روش توالی یابیDNAباشد.

دانشمندانIBMبا توسعه ی فناوریAFMدر سال ۱۹۸۹ به تیتر اخبار تبدیل شدند و از یک روش مرتبط برای بازآرایی مولکول ها در سطح اتمی استفاده کردند تا بتوانند حروفIBMرا به صورت آزمایشی بنویسند.AFMبا استفاده از سوزن های میکروسکوپی به این سطح از جزئیات دست می یابد و به صورت مستقیم با مواد مورد بررسی تماس برقرار می کند؛ این سوزن مشابه نمونه ی موجود در یک دستگاه گرامافون است. ارتباط بین سوزن و مولکو ل ها، تصویر را ایجاد می کند. با این حال،AFMسنتی برای کاربرد های پزشکی بسیار کند است و در اصل توسط مهندسان علوم مواد به کار برده می شود. رید می گوید:

عملکرد دستگاه ما هم مشابهAFMاست؛ اما نمونه را با سرعت اولیه ی بیشتری از سوزن می گذرانیم و از واسطه های لیزری برای کشف ارتباط بین سوزن و مولکول ها استفاده می کنیم. همچنین می توانیم به دقتی مشابهAFMسنتی برسیم اما سرعت پردازش هزار مرتبه بیشتر است.AFMپرسرعت برای بعضی کاربردهای پزشکی مناسب است؛ زیرا می تواند مواد را به سرعت پردازش کند و دقت آن صدها مرتبه بیشتر از روش های پردازش تصویر قابل مقایسه است.

تیم رید، ثابت کردند که این فناوری با استفاده از تجهیزات نوری موجود درDVDپلیرها هم قابل اجرا است. افزایش سرعتAFMتنها یکی از موانعی است که رید و همکاران او باید بر آن غلبه کنند. برای شناسایی دقیق جهش های ژنتیکی درDNAآن ها باید به توسعه ی روشی برای قرار دادن شاخص ها یا برچسب ها روی سطح مولکول هایDNAبپردازند تا بتوانند الگوها و بی نظمی ها را تشخیص دهند. راه حل دیگر بارکدگذاری شیمیایی هوشمند، استفاده از فناوری کریسپر توسعه یافته است.

کریسپر اخیرا اخبار زیادی را در رابطه با ویرایش ژنتیکی به خود اختصاص داده است. کریسپر یک آنزیم است که دانشمندان می توانند با استفاده ازRNAمورد نظر برای برشDNAدر موقعیت های دقیق، آن را برنامه ریزی کنند تا سلول بتواند خود به بازسازی این موقعیت ها بپردازد. تیم رید شرایط واکنش شیمیایی آنزیم کریسپر را به گونه ای تغییر دادند که بهDNAبچسبد و آن را نبُرد. به گفته ی رید:

به دلیل ماهیت پروتئینی آنزیم کریسپر و اندازه ی بزرگ تر آن نسبت به مولکولDNA، این آنزیم برای کاربردهای بارکدگذاری بی نقص است. این روش در اتصال به مولکول هایDNA، بازدهی ۹۰ درصد داشت و این ما را شگفت زده کرده است. و به این دلیل که دیدن پروتئین های کریسپر آسان است می توانید جهش های ژنتیکی را میان الگوهایDNAتشخیص دهید.

محققان برای نمایش تأثیر این روش، به نگاشت جابه جایی های ژنتیکی در بافت های زنده ی گره ی لنفی بیماران لنفاوی پرداختند. جابه جایی ها وقتی رخ می دهند که یک بخش ازDNAدر یک موقعیت اشتباه در ژنوم کپی شود. این جابه جایی ها معمولا در سرطان خون مثل سرطان لنفاوی رایج هستند؛ اما در انواع دیگر سرطان هم رخ می دهند.

با این که کاربردهای بالقوه ای برای این فناوری وجود دارد، رید و تیم او در حال حاضر بر کاربردهای پزشکی آن متمرکز هستند. آن ها بر اساس الگوریتم های موجود در حال توسعه ی نرم افزاری هستند که بتواند الگوهای بخش هایDNAرا تا اندازه ی یک میلیون زوج مبنا تحلیل کنند. این واسطه در آسیب شناسی می تواند به تشخیص و درمان بیماری های مرتبط با جهش های ژنتیکی کمک کند.